Гитлеровские войска изменили направление своих атак и повели наступление с севера, вдоль железнодорожной насыпи Раздельная — Одесса, и с запада — на Кагарлык и Карлсталь (ныне — Широкая Балка). Бросив в бой значительные силы пехоты, поддерживаемые дальнобойной артиллерией и 70 танками, враг потеснил 25-ю Чапаевскую стрелковую дивизию на восточной окраине Кагарлыка и захватил ряд высот. Его авиация непрерывно бомбила боевые порядки советских войск и Одессу.
19 августа 1941 г. Ставка создала Одесский оборонительный район (OOP), куда вошли Отдельная Приморская армия, Одесская военно-морская база и часть кораблей Черноморского флота. Командующим районом стал контр-адмирал Г. В. Жуков, членами Военного совета — бригадный комиссар И. И. Азаров, дивизионный комиссар Ф. Н. Воронин и первый секретарь Одесского обкома партии А. Г. Колыбанов. Заместителями командующего OOP стали командующий Отдельной Приморской армией генерал Г. П. Софронов, контр-адмирал И. Д. Кулешов и комбриг В. П. Катров.
Командование 4-й румынской армии поставило перед своими войсками задание, не считаясь с потерями, захватить Одессу до 3 сентября. 20 августа защитники Одессы с тяжелыми боями отошли на рубеж Выгода — Карлсталь — Маяки — Овидиополь — Каролино-Бугаз. В тот же день противник начал новое наступление. В течение пяти суток советские воины отбивались от румынских пехотных дивизий. Но врагу удалось в ночь на 25 августа выйти на западный берег Большого Аджалыкского лимана, в 8—12 км от города. Это дало ему возможность вести прицельный огонь по одесским предприятиям, портовым сооружениям и кораблям.
У защитников Одессы не хватало оружия, боеприпасов, продовольствия. В связи с потерей водозаборной станции на Днестре город остался без питьевой воды. Срочно были отремонтированы артезианские скважины, выкопаны колодцы. Воду, как и хлеб, пришлось нормировать.
21 августа областной и городской комитеты партии, исполкомы областного и городского Советов депутатов трудящихся обратились к жителям Одессы с призывом защитить родной город. В военных частях, на предприятиях и в учреждениях проходили митинги и собрания, посвященные дальнейшей мобилизации трудящихся для укрепления обороны города. Одесская партийная организация проводила большую идейно-политическую работу. В ней активное участие принимали все руководящие, партийные, советские, комсомольские работники и свыше 1800 агитаторов. Важную роль в этой благородной и сложной работе сыграли областные газеты «Большевистское знамя», «Черноморская коммуна» и «Молодая гвардия».
Город был превращен в военный лагерь. Улицы и площади покрылись баррикадами, противотанковыми «ежами», окопами. Был проведен дополнительный набор в народное ополчение. Это дало войскам почти 10-тысячное пополнение. Из 1-го полка морской пехоты, 26-го полка пограничных войск НКВД и ополченцев к концу августа была сформирована 461-я Одесская стрелковая дивизия, созданы отряды баррикадно-уличного боя, группы противовоздушной и противохимической защиты, санитарные дружины и посты.
Был организован сбор и ремонт старого, не вывезенного оборудования, остатков сырья и разных материалов, налажен ремонт и производство многих видов оружия и боевой техники. Заводы им. Январского восстания, им. Г. И. Петровского, им. М. И. Калинина, им. А. В. Хворостина, «Кинап» и другие изготовляли минометы и огнеметы, противотанковые и противопехотные мины, гранаты, бутылки с зажигательной жидкостью и запалы к ним, строили бронепоезда, легкие танки, ремонтировали оружие. Многие рабочие выполняли нормы на 200–300 %.
На протяжении всего периода обороны города одесский порт был главным объектом вражеских бомбардировок и артиллерийских обстрелов. Часто разрушались причалы, склады, выводились из строя краны и другие механизмы, портовые железнодорожные линии, но портовики быстро ликвидировали повреждения. Они отремонтировали и ввели в действие свыше 300 искалеченных врагом судов. Когда порт стал объектом прицельного огня врага, инженерные войска и рабочие за короткое время построили в Аркадии и на 16-й станции Большого фонтана новые пристани, недосягаемые для артобстрела.