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。
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