派出了海豚號潛艇，從20日開始不斷在敖德薩附近海面徘徊，雖然沒能突破敖德薩的防潛網，但是卻向德國空軍和羅馬尼亞空軍提供了一定的資訊。在它的指引下，兩國空軍轟炸了敖德薩，不過效果不大，僅僅摧毀了部分小型運輸艦。

8月20日，因為初戰暴露出了大量的指揮協調上的問題，在李曉峰的干預下，成立了敖德薩防區。隨著防禦區的成立，以及紅軍適時的收縮，當戰鬥在敖德薩郊區附近爆發的時候，羅馬尼亞人付出了慘重的代價，參與進攻的第一梯隊損失慘重，喪失了一半以上的有生力量。

還是8月20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27307人，其中陣亡5329人，受傷18600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