Ofensiva a început la 8 august 1941, până la 11 august forţele române blocând şi interzicând retragerea forţelor sovietice spre nord şi est. La 12 septembrie, trupele române, sprijinite de artileria germană, au reluat atacul, determinând retragerea forţelor inamice. Ofensiva a continuat la 17 septembrie. Mai mult, comandamentul sovietic a ordonat declanşarea, în noaptea de 21 spre 22 septembrie 1941, a unei ample acţiuni de debarcare maritimă şi aeriană, în urma căreia trupele Corpului 5 armată au fost obligate să se retragă 10-13 km. Sub impresia puternică produsă de contraatacul sovietic, Ion Antonescu a amânat reluarea atacurilor asupra Odessei, spre nemulţumirea colonelului Courbiere, care dorea să atace cu un grup de forţe în sectorul sudic al frontului, la vest de Odessa. În final, introducerea în luptă a unor forţe germane nu a mai fost necesară deoarece, la 16 octombrie 1941, când Armata 4 a reluat ofensiva, sovieticii, care îşi retrăseseră forţele principale, au opus o slabă rezistenţă.
Înfrângerea şi evacuarea trupelor sovietice din zona Odessa au consolidat siguranţa zonei petrolifere române şi au eliminat posibilităţile de acţiune în spatele flancului drept al trupelor germane şi române care acţionau în zona Mării de Azov şi în partea de nord a Crimeii. Succesul a fost obţinut cu mari eforturi, prin angajarea în luptă a şase corpuri de armată cu 18 divizii şi patru brigăzi independente, 24 divizioane de artilerie grea, şase batalioane şi şase grupuri de recunoaştere de corp de armată, 650 de avioane, două vedete rapide şi un submarin, care au executat incursiuni în Marea Neagră, în apropierea portului, precum şi a şapte baterii de artilerie grea germane, două batalioane de asalt şi o escadrilă de bombardament în picaj.