[2]​ Las fuerzas del Eje tardaron 73 días de asedio y cuatro asaltos en tomar la ciudad.

Las fuerzas rumanas sufrieron 93 000 bajas,[3]​ mientras que las del Ejército Rojo ascendieron a unas 41 000.

Antonescu expresó su deseo de participar desde el comienzo en la invasión; deseaba no solo recuperar los territorios perdidos en junio de 1940, sino participar en lo que consideraba una cruzada cristiana contra el bolchevismo infiel.

Los dirigentes rumanos y la población confiaban en que la campaña fuese corta gracias a la supuesta superioridad militar alemana.

[6]​ El 27 de julio de 1941, Hitler que veía la Alianza como una oportunidad para concentrar los recursos alemanes en la guerra más al norte, envió una carta al Conducător Ion Antonescu en el que le solicitaba su cooperación y la de sus tropas colocadas a lo largo del río Dniéster, a cambio entregaría a Rumania la administración del área comprendida entre el río Dniéster y el río Bug Meridional, una región que nunca había sido parte de Rumania.

Lo que el Alto Mando de Rumanía no tuvo en cuenta fueron las fortificaciones en Odesa, además, fallaron al no pronosticar que Odesa nunca podría ser completamente aislada gracias a la flota del mar Negro.

La tercera y última línea defensiva se encontraba dentro de la misma ciudad.

Agrupados en el Ejército Costero Independiente dirigido por el teniente general Georgi Sofronov, dicho ejército comprendía la 25.º División de Fusileros «Chapayevskaya»,[nota 1]​ la 95.ª División de Fusileros y la 9.ª División de Caballería, las dos últimas ya habían tomado parte en batallas anteriores contra el 4.º Ejército rumano.

Además, se utilizaron fuerzas especiales como paracaidistas e infantes de marina en los contraataques.

Además, partes del 11.º Ejército alemán participaron en los combates en varias etapas mientras continuaba el asedio.

Sin embargo las bajas habían sido altas en ambos bandos y Antonescu expresó su preocupación de que los soviéticos no renunciarían a Odesa fácilmente.

Al estancarse la ofensiva por los contraataques soviéticos, se planeó otra contraofensiva para el 28 de agosto.

Esta vez se realizarían dos ataques frontales contra la segunda línea de defensa soviética.

En este punto los refuerzos habían incrementado el número de tropas asaltantes hasta los 200 000 soldados.

Los soviéticos también habían recibido refuerzos pero de menor entidad, unos 15 350 soldados y oficiales.

No obstante, inmediatamente empezó a solicitar suspender la ofensiva del 10 de septiembre por dos días.

Sin embargo, justo después de que el avión Fieseler Fi 156 Storch, en el que viajaban los altos oficiales rumanos, aterrizara en un aeropuerto en Baden, cerca de Odesa, Ioanițiu murió en un extraño accidente, golpeado por la hélice del avión.

[12]​ La ofensiva rumana fue decepcionante de nuevo, y aunque se logró capturar más territorio que en las dos ofensivas anteriores, un desembarco anfibio soviético aisló una división rumana y causó estragos a lo largo del frente, obligando a que el cuerpo de artillería que estaba bombardeando el puerto se retirara.

A las 16:00 horas el puerto fue capturado, y esa misma noche la poca resistencia que quedaba fue aniquilada.

La tarea quedó en manos del 11.º Ejército alemán, que estaba previsto trasladar al norte para participar en el Sitio de Leningrado.

Las tropas rumanas dispararon y mataron a cualquier judío que intentara escapar del fuego.