0日，為了增強敖德薩的防禦力量，紅旗黑海艦隊將新組建的三個團的海軍陸戰隊透過海路運往敖德薩，這讓敖德薩的守軍達到了三萬五千人的規模。與此同時羅馬尼亞人也米有閒著，立刻給第4集團軍補充了大量的有生力量，並開始了第二輪的猛攻。

8月25日，羅馬尼亞軍隊突破了敖德薩東部扇形區幾處陣地。開始逼近城郊。而為此羅馬尼亞人付出了巨大的代價，截止8月27日，羅馬尼亞軍隊損失了人。其中陣亡5329人，受傷人。另有3378人失蹤。

從9月1日開始，羅馬尼亞再次增強了圍攻敖德薩的力量，調來了第11軍（下轄第7騎兵旅，第8和第14步兵師）。該部在9月10日完全抵達戰場，而此時，敖德薩的羅馬尼亞軍隊達到了20萬的規模——16個步兵師、3個騎兵旅。

在敵人的強大壓力下，駐守敖德薩的紅軍部隊也開始想辦法增強力量，開始組建敖德薩民兵部隊。這得到了當地居民的積極響應。僅僅一週內就有五萬五千市民參加了城市保衛戰，其中有三萬人直接編入了作戰部隊！

9月13日，防區軍.事委員會向紅軍軍.委報告了局勢狀況，並請求增援。李曉峰親自回電：“請向保衛敖德薩的指戰員轉達軍.委的請求，各條戰線上的形勢都比較嚴峻，在短期內（一個星期至半個月）暫時無法派遣更多的地面部隊去增援你們。軍.委只能儘可能的提供海上和空中的力量去增援你們，盼望你們繼續堅持，撐過這段艱苦的時光……”

這也是沒辦法，因為當時圖哈切夫斯基正在搜刮一切力量準備投入反攻，為了滿足這位總.參謀長的需求。敖德薩自然是顧不上了。李曉峰唯一能做的就是命令紅旗黑海艦隊不惜一切代價增援敖德薩，很快紅旗黑海艦隊的所有戰列艦、巡洋艦全部開往敖德薩，用最猛烈的火力打擊不斷向城內進攻的羅馬尼亞軍隊。在短短的十幾天內。戰列艦和巡洋艦就將所有的炮管都打禿了，不得不陸續返回尼古拉耶夫和塞瓦斯托波爾更換身管。

在猛烈的炮火支援下，濱海集團軍又咬牙硬撐了20天，直到10月3日，在李曉峰的一再催促下，剛剛從中亞趕回來的第157步兵師（約一萬兩千人）從新羅西斯克登船直接運往敖德薩，後續跟進的還有一個炮兵團和一個火箭炮營。

援軍的趕到使敖德薩的形勢有所改善，但是東部防區的形勢依然很嚴峻。為此，茹科夫海軍少將決定組織第421和第157步兵師進行反擊。為配合行動。海軍陸戰隊第三團也在敵人側後的格里戈裡耶夫卡登陸並在西茨利地區實施空降。

10月5日，黑海艦隊出動紅色羅斯托夫和紅色盧甘斯克號以及另外四艘驅逐艦掩護海軍陸戰隊第3團1929人（該團下屬三個陸戰營和一個迫擊炮連）在格里戈裡耶夫卡登陸。

當天中午13時30分。運載登陸部隊的艦艇從塞瓦斯托波爾起航，15時。驅逐艦頑強號被大群德國戰機圍攻，嚴重破損，不得不衝灘擱淺。不過頑強號不愧於她的名稱，哪怕是搶灘擱淺了，也集中一切火力去支援登陸部隊，一度用近距離火力支援打得羅馬尼亞人抬不起頭來。

下午17時，登陸成功。首批登陸部隊成功的收復了格里戈裡耶夫卡，併為後續部隊掃清了道路。第二天凌晨二時，登陸的主力部隊全部上岸，然後立刻馬不停蹄地向敵人發動了攻擊。與此同時東部防禦區的兩個步兵師也立刻投入反擊，激戰至10月7日，登陸部隊和反擊部隊成功會師。這一次成功的海陸空聯合作戰擊退了壓迫東部防禦區的羅馬尼亞軍隊，拓展了防區，為敖德薩繼續堅持抵抗注入了強心劑。

尤其值得一提的是那艘被迫搶灘登陸的頑強號驅逐艦，該艦擱淺後，一面用8門130毫米艦炮支援戰鬥，另一面在緊張搶修堵漏的同時還組織了一個戰鬥小隊攜帶輕武器同海軍陸戰隊一起作戰。在勝利的收復了格里戈裡耶夫卡之後，在友艦的幫助下利用漲潮的機會，該艦順利地脫困。在戰後該艦被授予紅旗勳章。

此次作戰中，紅軍重創了羅馬尼亞第13和第15步兵師，殲敵兩千人，繳獲火炮50門，機槍127挺、步槍1100支，而登陸部隊僅陣亡29人受傷407人。此外艦隊航空兵還擊落了20架德軍和羅馬尼亞飛機，另外炸燬12架。這是戰爭期間黑海艦隊、陸軍、航空兵協同作戰的第一個成功戰例。

德國曆史學家弗雷德里希.弗斯特梅爾評論道：“在敖德薩陸軍的配合下，登陸部隊將羅馬尼亞步兵第13和第15師擊退五到八公里，使戰線恢復到8月份的狀態……這給了