Położenie Odessy sprzyjało obronie – okręty Floty Czarnomorskiej prowadziły ostrzał rumuńskich pozycji, a przez cały czas oblężenia oddziały Armii Czerwonej otrzymywały uzupełnienia i na bieżąco ewakuowano rannych.
Od 5 sierpnia do 16 października 1941 roku oddziały Samodzielnej Armii Nadmorskiej (generał porucznik Gieorgij Sofronow, od 5 października – generał major Iwan Pietrow) wspólnie z częścią sił Floty Czarnomorskiej (razem 34,5 tys. ludzi) przy aktywnym wsparciu miejscowej ludności przeprowadziły operacje obronne w celu obrony Odessy. Na podejściach do miasta zbudowano głęboko rozbudowany pas budowli inżynieryjnych; bardzo dobrze zorganizowano też współdziałanie wojsk lądowych z flotą. Obrońcy miasta związali walką 4 Armię rumuńską na ponad dwa miesiące. 19 sierpnia 1941 utworzony został Odeski Okręg Obronny (kontradmirał Gawriił Żukow), podporządkowany Flocie Czarnomorskiej.