С первых дней обороны Одессы войска армии образовали три оборонительных сектора, каждый силами до дивизии. Артиллерия, штатная и приданная на усиление, кроме стационарных береговых батарей, включалась в состав секторов и распределялась по группам АПП стрелковых полков. Дальнобойные стационарные береговые батареи подчинялись непосредственно начальнику артиллерии армии (полковник Н. К. Рыжи) и образовывали группы АДД, в состав которой включался и 265-й корпусной артиллерийский полк майора Н. В. Богданова.

Силы Черноморского флота спешно готовились к обороне. В полной боевой готовности находились эсминцы: «Фрунзе», «Дзержинский», «Смышленый», «Бодрый», «Беспощадный», «Шаумян», «Незаможник», крейсер «Червона Украина», лидер «Ташкент» и другие корабли флота.

Из личного состава Одесской морской базы формировались 1-й морской полк — 1500 человек и 2-й морской полк в составе 750 человек. По приказу НК ВМФ № 00241 формировался отряд кораблей северо-западного района под командованием контр-адмирала Д. Д. Вдовиченко в составе: крейсера «Коминтерн», эсминцев «Шаумян» и «Незаможник», 5 тральщиков, 2 бронекатера и 4 блиндеров.

Подвижная артиллерия Одесской военно-морской базы в составе 40-го артиллерийского дивизиона и 65-й батареи была придана полку НКВД. Кроме того, 724-я и 36-я батареи подвижной артиллерии действовали в районе Люстдорфа и 726-я — в районе Крыжановки.

Оборонительный рубеж, занятый Приморской армией, полукольцом охватывал район Одессы и флангами упирался в Тилигульский и Днестровский лиманы. Части, оборонявшие Одессу, были лишены сухопутной связи с войсками Южного фронта, имея в тылу море. Главные усилия обороны командующий концентрировал на северо-западе от Одессы, откуда предполагался основной удар немецко-румынских войск. Резерв (1-я кавалерийская дивизия) командующий армией держал ближе к левому флангу обороны. Однако наличие хороших дорог и ровная местность давали возможность маневрировать резервом во всех направлениях, в том числе и на восток.

Слабость обороны заключалась в том, что войска вынуждены были защищаться на очень широком фронте. Сводный отряд комбрига Монахова удерживал, например, участок протяжением до 55 км, располагая для этого незначительными силами. В несравнимо лучших условиях оказалась 95-я Молдавская стрелковая дивизия — ее фронт равнялся 20 км.

О хорошем состоянии советских соединений можно было судить по степени боеготовности 95 сд. В непрерывных боях при отходе от реки Прут дивизия потеряла ранеными и убитыми более 7000 человек. Но благодаря полученному пополнению к середине августа 90-й и 241-й стрелковые полки насчитывали по 1100–1200 человек, а 161-й стрелковый полк — 3179 человек, то есть почти штатный состав. Дивизия имела два артиллерийских полка: 57-й легкий артполк на конной тяге (12 орудий 76-мм и 8 гаубиц 122-мм) и 134-й гаубичный полк на механизированной тяге (7 гаубиц 152-мм и 24 гаубицы 122-мм).

25-я Чапаевская стрелковая дивизия была укомплектована еще лучше. Вообще это было элитное соединение РККА. Чего стоят только одни названия полков: 54-й стрелковый полк — имени Степана Разина, или просто Разинский, 31-й стрелковый полк — Пугачевский имени Фурманова, 263-й стрелковый полк — Домашкинский имени Фрунзе (только 287 сп почетного наименования не имел). С воздуха район обороны прикрывался 15-й отдельной бригадой ПВО полковника И. Т. Шиленкова.

Оборона Одессы с суши не была подготовлена в мирное время. К возведению оборонительных рубежей приступили лишь с началом отхода советских войск из Бессарабии за Днестр.

С 17 июля 1941 года здесь начали свою работу управления военно-полевого строительства № 5 и 2, которые приступили к постройке рубежей: Покровское, Березовское, станция Раздельная, станция Кучурган и станция Карпово, Мангейм. 5 августа управление военно-полевого строительства № 2 прекратило работу и было распоряжением штаба Южного фронта переброшено в Крым, на севастопольское направление.

Командование Приморской армии первоначально наметило три основных рубежа обороны Одессы:

1-й — в 60 км от города (центральное направление) по линии Покровское, Веселиново, Березовка, Катаржино, станция Раздельное, станция Кучурган.

2-й — в 40 км от Одессы по линии Нечаянное, Калиновка, Мангейм, Беляевка.

3-й — в 20–25 км от Одессы — по линии Аджиаска, Коблево, Свердлово, Кубанка, станция Выгода, Маяки.

Помимо этого предполагалось создать отсечные позиции на линии Березовка, Нейзац и по рубежу реки Южный Буг (Новая Одесса, Николаев, Станислав).

К началу отхода советских частей от реки Днестр на первых двух тыловых оборонительных рубежах работы были не закончены. Объем работ, произведенных на 3-м рубеже обороны, был еще меньше, К 10 августа система стрелково-пулеметных окопов не была создана, противотанковые и противопехотные препятствия имелись в небольшом количестве, а местами совершенно отсутствовали. Таким образом, строительство оборонительных рубежей на подступах к Одессе оказалось далеко не завершенным.

Исходя из этого, командование Приморской армии решило создать опорные пункты в 10 основных районах. Инженерными подразделениями к началу отхода советских войск от реки Днестр эти опорные пункты были подготовлены лишь частично. Запроектированное строительство по рубежам обороны не соответствовало имевшимся в наличии силам и было чрезмерно широким по фронту.

К 12 августа 1941 года войска Приморской армии отошли на рубеж Григорьевна, Свердлово, Ильинка, Бриновка, Секретаревка, Мангейм, Кагарлык, Беляевка, Овидиополь, Каролино-Бугаз.

Инженерное оборудование этого рубежа обороны протяженностью 80 км к моменту занятия его частями Красной армии не было закончено. Наибольшую часть работы войскам приходилось производить самим, уже в ходе боев. С отходом частей на эту линию обороны командование Приморской армии приступило к подготовке целой системы оборонительных рубежей в своем тылу:

1. Передовые рубежи: а) Большой Аджалыкский лиман, хутор Петровский в 5 км западнее населенного пункта Свердлова, южная окраина Кубанки, Ильинка, Чеботаревка, Палиово, станция Выгода, Карсталь, южная окраина Беляевки; б) Палиово, хутора Дубиново и Вакаржаны, населенные пункты Красный Переселенец, Петерсталь, Францфельд.

2. Дополнительный передовой рубеж: Дальник, Ленинталь, Александровна.

3. Рубеж главной обороны: совхоз им. Ворошилова, южная окраина Гильдендорфа, Протопоповка, Гниляково, Дальник, Татарка, Сухой лиман.

4. Вторая линия рубежа главной обороны: Крыжановка, хутора Междулиманные, Усатово, поселок Застава, Сухой лиман, Люстдорф.

5. Отсечная позиция: Нерубайское, Дальник.

6. Рубеж прикрытия города: Крыжановка, Кривая Балка, Чубаевка, Большой Фонтан.

7. Укрепления в черте города: баррикады, окопы, противотанковые препятствия и т. д.

Инженерные работы на этих оборонительных рубежах с отходом советских войск на линию населенных пунктов Григорьевка, Свердлово, Ильинка, Бриновка, Секретаревка, Мангейм, Кагарлык, Беляевка, Овидиополь, Каролино-Бугаз требовалось форсировать. К строительству были привлечены части военно-морской базы, тыловые подразделения Приморской армии и трудоспособное население Одессы. В населенных пунктах вокруг города и в самом городе к обороне приспосабливались каменные постройки. Кроме того, предусмотрено было затопление пересыпи у Хаджибейского лимана путем взрыва плотины, перекрывающей лиман. Этой же водой предполагалось затопить и поля орошения перед городом в радиусе 3–3,5 км.