8月15日，罗军转入重点进攻，集中兵力从东北和西北两翼向敖德萨突击。

在西北方向，罗军以3个步兵师和第1装甲师沿着拉兹杰利纳亚至敖德萨铁路线展开坚决突击，逐渐推进至敖德萨主要防御地带、抵近市区。

双方争夺的重点转为位于城市西郊的供水泵站，罗军认为，一旦夺取这里，城内供水将被切断，苏军必然无法固守城市。

罗军的进攻首先在供水泵站不远的米哈伊洛夫卡镇发起。

进攻刚开始不久，同样清楚这里重要性的苏军第95师就组织反击。

在这一天的战斗中，罗军参战部队战斗减员达50%，几天前在亚历山德罗洛卡击退苏军的第1装甲师第1装甲团在战斗中几乎损失了全部坦克，装甲团团长也在战斗中阵亡。

此战，苏军第95师第163团荣立集体功，该团第3营营长布列乌斯中尉获得苏联英雄称号。

但由于苏军的兵力有限，罗军在损失惨重的情况下还是顶住了苏军的反击，并夺取了米哈伊洛夫卡镇和供水泵站，切断了敖德萨的淡水供应。

此后，苏军黑海舰队不得不减少武器弹药的运输，向城内供应淡水。

8月19日，为统一指挥该地的陆海军部队，更有效地组织城市防御，敖德萨守军统归黑海舰队指挥。黑海舰队组建以敖德萨海军基地司令茹科夫为司令员的敖德萨防御地域（索夫罗诺夫任副司令员），下设南、西、东3个分区，辖4个师和若干独立部队，共3.45万人。

其中，南线以步兵第25师的2个团防御；西线由步兵第95师防御；东北方向由步兵第421师防御。

8月20日，罗军以17个师又7个旅的兵力向敖德萨市区发起新的进攻。

苏军兵力虽然远低于罗军，但依托敖德萨港口，能够源源不断地接收到从塞瓦斯托波尔输送的装备物资和兵员，并将伤员和一部分工厂撤往后方，所以苏军始终能够守住防线，粉碎罗军的进攻。

8月底，安东内斯库决定不再一味地强攻，转而将重点放在对港口和城区实施持续的炮火和空中突袭，试图阻止黑海舰队进入港口为城市提供补给，摧毁守军的抵抗意志。

此后，苏军的补给几乎中断，黑海舰队只能在夜间依靠小型船运输少量物资入港。

战争开始前，敖德萨市内并没有军工企业。战争爆发后，敖德萨有20多家企业开始生产军用物资，在敖德萨防御战役期间，市民冒着罗军的空袭和炮击，在城内缺少粮食和淡水的情况下，工厂始终全力生产，为城内守军提供了3辆装甲列车、200门82毫米迫击炮和1000余门50毫米迫击炮、1022个战壕投掷火箭、21万枚手榴弹、3万枚反坦克和反步兵地雷，以及大量的燃烧瓶、野战电话、电缆等。

在1个多月的作战中，苏军的损失同样巨大，战前储备的火炮剩下300多门，尚能满足作战需要，坦克则只剩下2辆。

为此，敖德萨的工人们利用拖拉机底盘和工厂撤离时留下的钢材制造了临时坦克（“威慑者1号”）。这些坦克大多装备了7.62毫米机枪，个别坦克装备了37毫米和45毫米火炮。

工人们还发挥主观能动性，为坦克制造了“复合装甲”，这种坦克的装甲钢板有两层，中间用胶合板和橡胶填充，使得坦克具有良好的防御能力，罗马尼亚使用的小口径反坦克炮无法击穿它们的正面。

9月19日，苏军舰艇突破罗军的火力封锁，将步兵第157师输送到敖德萨，加强了该市东北方向的防御。

9月22日，苏军黑海舰队第3海军陆战团（辖3个陆战营和1个迫击炮连）从克里米亚半岛的塞瓦斯托波尔出发，在格里戈里耶夫卡、罗马尼亚军队的背后实施登陆，与苏军第421和第157师形成对罗军东北集群的东西夹击之势。

同时，苏军伞兵部队也在罗军背后实施空降。

在多路苏军的反突击下，再加上黑海舰队的炮火支援，罗军2个师被击溃，为免于被围歼，被迫向后撤退了5~8公里，才恢复战线的稳定。

当晚，陆战第3团和第421和第157师会师，从而使该市市区和港口免受罗军的炮击。

此战，罗军损失2000余人，苏军阵亡29人，负伤407人。

在此期间，苏军在基辅方向的作战已经结束。

在基辅会战期间，苏军西南方面军和南方面军损失了大部分兵力，仅被俘就达60余万人。

德军则渡过第聂伯河，前锋部队向哈尔科夫、罗斯托夫和克里米亚半岛方向推进，敖德萨守军在德军占领地后方成为一座孤岛。

罗马尼亚军队在1个多月的作战中损失惨重，一些部队不得不返回国内休整。

担任苏军实际指挥的索夫罗诺夫在此期间也因冠心病复发，撤往后方养病，他的职务由其助手彼得罗夫接任。

鉴于敖德萨迟迟无法攻占，安东内斯库请求德军派空军部队提供火力支援，此后德军和罗马尼亚空军加强了敖德萨方向的空军力量，对该城实施不间断地轮番轰炸。

为改善克里米亚半岛的防御，毛熊最高统帅部于9月30日决定放弃敖德萨。

为此，黑海舰队制定了周密的撤退计划，将撤退分为两个阶段。

10月1～14日，黑海舰队出动了281航次，动用运输船和战斗舰艇输送8.6万部队和1.5万居民撤往克里米亚半岛，其中还包括14辆坦克、36辆装甲汽车、约500门火炮、1158辆汽车、3500余匹马、163辆拖拉机以及约2.5万吨各种物资。

10月15日，黑海舰队集中巡洋舰2艘、驱逐舰4艘、炮舰2艘、护卫舰1艘、布雷舰2艘、扫雷舰6艘、鱼雷艇13艘、护卫艇34艘、辅助船8艘、运输船11艘将负责殿后的守军3.5万人撤出。

由于这次行动组织严密，措施得力，德军和罗军未能及时发现，以致到10月15日希特勒还致函安东内斯库，建议向敖德萨派遣德军重炮部队和1个步兵师，以增援罗军第4集团军。

此役，苏军驻敖德萨的防御部队在敌人深远后方孤军奋战73天，己方阵亡16578人。苏军宣称罗马尼亚军伤亡约15万人，罗马尼亚宣称共有8.1万伤亡，另有1.1万人失踪。

罗军攻占敖德萨后，为了泄愤，在城中对平民实施了屠杀，敖德萨城内7万余平民被杀害。

尽管苏军在敖德萨保卫战中并未取得胜利，但成功且及时的撤退也使得滨海集团军保留了实力，并为苏军提供了宝贵的防御战经验。

敖德萨保卫战中滨海集团军使用的环形防线和交替火力点配置，被列入了苏军防御战手册。

撤离到高加索的索夫罗诺夫中将还亲自主持了作战经验交流工作，编辑撰写了新兵训练手册，并根据不同保卫战的经验，不断升级更新苏军防御手册，为战胜的德国法西斯做出了难以磨灭的贡献。

还值得一提的是，在战争初期，斯大林极少允许前线部队后撤，而敖德萨守军的撤退命令是期间为数不多的几次个例之一。