Действия наземных частей восточного сектора активно поддерживала авиация Черноморского флота: 22 августа наши самолеты непрерывно наносили удары по мотомехколоннам и скоплениям войск противника в районах Булдинки и Свердлово, уничтожив при этом до 38 танков и несколько десятков автомашин с пехотой. Кроме того, самолеты непрерывно патрулировали над своими кораблями. Благодаря активным действиям кораблей и авиации Черноморского флота удалось обеспечить более организованный отход пехоты на новый рубеж, на котором, однако, упорные бои продолжались с прежней силой.

Стремясь восстановить положение, наши войска неоднократно переходили в контратаки и наносили врагу большой урон в живой силе и технике. Так, в ночном бою 28 августа было захвачено 2 противотанковых орудия, 3 миномета, 3 пулемета и взято в плен до роты румын.

Ввиду больших потерь (в некоторых подразделениях они доходили до 70 %), понесенных нашими войсками восточного сектора, выдержавшими многочисленные атаки противника, командование приняло решение пополнить и реорганизовать их. Морской полк, полк НКВД и ряд подразделений после пополнения были сведены в 421-ю Одесскую стрелковую дивизию.

Натиск немецко-румынских войск между тем не ослабевал. В результате многодневных ожесточенных атак превосходящих сил противника части восточного сектора местами отошли и к 1 сентября заняли фронт: высота 47,4, совхоз Ильичевка, отметка 66,3, Протопоповка. В дальнейшем бои в восточном секторе носили позиционный характер. Противник, предпринимавший яростные атаки, не смог прорвать фронт советской обороны и постепенно выматывался, неся огромные потери. Но и положение города значительно осложнилось. 24 августа немецкая дальнобойная артиллерия обстреляла северную окраину Одессы, произведя разрушения в районе Пересыпи. Используя Воронцовский маяк как ориентир, немцы перенацелили огонь на порт и на корабли. 23 августа прямым попаданием артиллерийского снаряда был пробит борт эсминца «Фрунзе». Перед советскими войсками встала задача — немедленно подавить огонь артиллерии противника и, отбросив на восток его пехоту, ликвидировать опасность обстрела города, порта и кораблей.

Бои в западном секторе обороны

В ночь на 20 августа части 95-й стрелковой дивизии, выполняя приказ командующего, беспрепятственно отошли на оборонительный рубеж Палиово, Выгода, хутор Петровский. Стремясь не дать частям 95-й стрелковой дивизии закрепиться на занятом рубеже, противник сосредоточил на узком участке 3, 7-ю и 11-ю пехотные дивизии, танки и авиацию. 22 августа после ряда ожесточенных атак ему удалось немного потеснить правофланговые части западного сектора обороны, которые отошли к высотам 94,5, 87,9, 85,6, расположенным восточнее и юго-восточнее поселка Выгода. В последующие дни упорные бои здесь продолжались.

Обстановка на этом участке обороны накалилась до предела. Каждому из полков 95 сд приходилось сдерживать напор двух вражеских дивизий. Располагая огромным превосходством в силах, противник вел наступление перед всем фронтом дивизии днем и ночью. Наибольшую активность он проявлял в направлении железной дороги. На этом направлении командующий артиллерией 95 сд полковник Д. И. Пискунов сосредоточил огонь двух наших артиллерийских полков. 134-й артиллерийский полк имел свои огневые позиции севернее железной дороги за боевыми порядками пехоты, 57-й артиллерийский полк южнее железной дороги находился непосредственно в боевых порядках стрелковых частей. На этом же направлении действовал бронепоезд № 22, который периодически выдвигался к нашему переднему краю, обстреливал наступающие цепи противника беглым огнем и немедленно уходил назад. Помощь этого бронепоезда была неоценима.

В результате больших потерь в командном составе 95-я стрелковая дивизия стала терять устойчивость в бою. Частям введенных в бой 5-й и 7-й пехотных румынских дивизий удалось занять южнее ж/д хутора Октябрьский и Важный — ключевые позиции на одесском направлении. По распоряжению командующего Приморской армией на этот участок был переброшен резерв — 7-й кавалерийский полк (800 человек на автомашинах). Усилив этот резерв разведбатом и батареей противотанковой артиллерии из состава 95 сд, командование соединения организовало контрудар по флангу и тылу противника и снова заняло ранее оставленные позиции. Были захвачены пленные, оружие, радиостанция. Но командир 161-го стрелкового полка Сысоев не сумел реализовать и закрепить успех. Переданные ему огнеметы не были установлены на огневых позициях, и он доложил, что не знает, что с ними делать, так как они стреляют всего на 40 метров. Он не смог даже использовать направленное ему пополнение — более 500 человек.

Для разгрома противника, вклинившегося на участке 161 сп, было направлено лучшее подразделение 95 сд — разведбатальон лейтенанта Долгого и две зенитно-пулеметные установки ГАЗ-АА со счетверенными 7,62-мм пулеметами системы Максима под командованием офицера штаба дивизии старшего лейтенанта И. П. Дацко. Этот батальон смело и решительно атаковал противника во фланг, огнем ЗПУ прижал его к земле так, что румыны до ночи не могли высунуться из кукурузы. Впоследствии, когда лейтенант Долгий, командир разведбата, умер в госпитале Одессы от ран (трижды раненный, он продолжал управлять боем и только после четвертого ранения был эвакуирован), весь батальон по приказу командира 95 сд был выведен из боя и на машинах отправлен в Одессу, чтобы бойцы могли отдать последний долг своему боевому командиру.

Ввиду неудавшихся дневных атак противник решил осуществить прорыв фронта обороны частей западного сектора в ночное время. Так, в ночь с 24 на 25 августа он неоднократно переходил в атаки на фронте хуторов Октябрь и Дубиново. Однако огнем и контратаками войск западного сектора враг был отброшен на исходные позиции, понеся при этом большие потери — более 1000 человек только убитыми. Наши контратакующие части захватили танк, 4 миномета, 6 станковых пулеметов и взяли пленных. В ночь на 3 сентября румынские войска вновь перешли в наступление. Это была массовая ночная атака, в ходе которой главный удар противник наносил вдоль железной дороги и южнее. Части западного сектора обороны оказывали упорное сопротивление. Подпуская румын на дистанцию 100 м, они расстреливали их в упор, переходили в штыковые контратаки.

В дальнейшем на этом участке фронта бои также приняли позиционный характер. В результате неоднократных атак и введения резервов противник смог продвинуться в глубь нашей обороны очень немного: на 1–1,5 км, прорвать же фронт западного сектора обороны ему не удалось.

Бои в южном секторе обороны

Не менее ожесточенные бои происходили в южном секторе обороны, в частности в районе Кагарлыка. Введя на этом направлении 1-ю гвардейскую пограничную дивизию, румыны беспрерывными атаками стремились сломить сопротивление частей 25-й стрелковой дивизии и охватить левый фланг Приморской армии. В ночь на 20 августа, выполняя приказ командования, части 25-й дивизии начали отход на новый оборонительный рубеж: хутор Петровский, Маяки. Однако из-за сильного нажима со стороны противника, наседавшего на наши отходившие войска, а также по причине недостаточно твердого управления ими, части 25-й стрелковой дивизии не смогли удержаться на указанном рубеже. Противник на плечах отходящих частей распространился восточнее рубежа обороны, предусмотренного приказом. К исходу 20 августа завязались упорные бои на фронте Красный Переселенец, Петерсталь. Вследствие поспешного отхода 25-й дивизии 1-я кавалерийская дивизия (29 августа, после пополнения, эта дивизия, согласно распоряжению Генерального штаба, была переименована во 2-ю кавалерийскую дивизию), получившая задачу выдвинуться на линию хутор Карсталь, Фрейденталь, не смогла здесь задержать противника и откатилась на рубеж Выгода, хутор Вакаржаны.