Bir Rumen alayı Panyatovka'yı tutarken bir başka alay da 9 Ağustos'ta Bakalovi civarındaki Sovyet birliğini geri attı. Razdelnaya'daki sert Sovyet direnişine karşın 7. Piyade Tümeni demiryolu istasyonunu ve güneyindeki düzlüğü kontrol altına aldı. Bir sonraki gün 3. Kolordu kesiminde 7. Piyade Tümeni'nin büyük kısmı Elssas'a, Aynı gün 1. Muhafız Tümeni ise Strassburg - Petra Evdokievka hattına ulaştı. 5. Kolordu kesiminde Bolsçaya Buzhalyk üzerine taarruz eden 1. Zırhlı Tümen, kısa sürede Sovyet kuvvetlerini geri atarak Odessa'nın ilk savunma hattını yardı. Akşama kadar Rumen tümenleri, ikinci savunma hattına Blagodatnaya - Mal. Adzhalyk kesiminde ulaşmışlardı. Öte yandan Severinovka'ya giren 1. Süvari Tugayı bu kesimde 1. Zırhlı Tümen'le temas sağladı. Aynı sırada, bir Rumen alayı Lovovaya'daki Sovyet kuvvetlerini yenilgiye uğrattı. 4. Ordu kademe kademe kent merkezine ilerledi. Fakat ileri hareketi, Antenescu tarafından 13 Ağustos'ta, kentin batısındaki hatları güçlendirmek için geçici olarak durduruldu.
Rumen kuvvetlerin taarruzu 16 Ağustos'ta tüm cephe boyunca yeniden başladı ve 17 Ağustos'ta Odessa'nın su depolarını ele geçirdiler. Kızıl Ordu kuvvetleri, ağır kayıplarla sonuçlansa da tekrarlanan karşı taarruzların yanı sıra inatla savunmayı sürdürdüler. Romanya Kraliyet Hava Kuvvetleri kara kuvvetlerini etkin biçimde destekledi ve Odessa'nın, hem içeri hem dışarı deniz trafiğini kesti. Ayrıca 20 Ağustos'ta bir zırhlı treni tahrip etti. İki Rumen torpido botu 18 Ağustos gecesi Odessa'nın güneyinde bir Sovyet destroyerine saldırarak batırdılar. Bu olay, Romanya Donanması'nın, kuşatmayı desteklemek için giriştiği birkaç manevradan biridir.
Sürekli girişilen taarruzlara karşın Rumen kuvvetleri, 24 Ağustos'a gelindiğinde Sovyet ana savunma hattı önünde batağa saplanmışlardı. Rumen 4. Ordu'sunun kayıpları 5.329 ölü olmak üzere 27.307 olmuştur. Bununla birlikte Sovyet kuvvetleri de güç kaybetmişti, Kubanka'nın elden çıkmasıyla, Romanya ağır topçusu artık Odessa limanını ateş altına alacak durumdadır. İzleyen üç gün boyunca Odessa'da silahlar suskundu.
Rumen kuvvetleri 28 Ağustos'ta bir Alman hücum taburu ve on ağır top taburu ile takviye edilmiş olarak taarruzlarını yenilediler. Bu taarruzda 4. Ordu, 11. Ordu ve 1. Kolordu Gnileakovo ve Vakarzhany yönünde ilerlemiştir. Ancak ertesi gün Kızıl Ordu birliklerinin giriştiği sert karşı taarruzlarla bazı bölgelerden geri atıldılar. İnisiyatifi 30 Ağustos'ta yeniden ele geçirmişlerdi ama bu arada çok az arazi ele geçirdiler. Bir Kızıl Ordu taarruzu Kubanka'yı geri almayı başardı fakat karanlık çöktüğünde geri atıldılar. Vakarzhany'deki Sovyet birlikleri kuşatıldılar ve 3 Eylül'e kadar çarpışmaya devam ettiler. Bu tarihte Alman ve Rumen birlikleri kasabaya taarruz ederek direnişi kırmayı başardı.
Aynı tarihte General Ciuperca Mareşal Antonesu'ya, cephe tümenlerinin içinde bulunduğu olumsuz koşullara ilişkin bir rapor sundu. Bu raporda birliklerin, neredeyse bir ay süren çatışmalar dolayısıyla muharebe bitkinliği içinde oldukları belirtilmektedir. General bu raporunda altı tümenin, 8 ağır topçu taburuyla desteklenen iki kolordu şeklinde yeniden tertiplenmesini önerdi. Bu tümenler 3. Tümen, 6. Tümen, 7. Tümen, 14. Tümen ve 21. Tümen ile Muhafız Tümeni'ydi. İki kolordunun, Sovyet savunmasını yarmak için tek bir bölgeden taarruz etmesi öngörülüyordu. Bu öneri hem Mareşal Antenescu hem de Romanya Genelkurmay Başkanı General Ioaniţiu tarafından reddedildi. General Ioaniţiu, tek bir istikametten yapılacak taarruzun, bunun dışındaki Rumen hatlarını fazlasıyla boş bırakacağını ileri sürmüştür. Mareşal Antenescu daha sonra, Gniliavko - Dalnik hattından 3. Kolordu tarafından, Tatarka - Dalnik hattından da 11. Kolordu tarafından yapılacak iki taarruz emri yayınladı. General Ioanitiu da emre, Almanya'nın Romanya askerî ataşesi General Hauffe dikkatine bir not etkiledi. Bu notta Odessa'daki genel durum hakkında bilgi verilmekte ve birkaç istihkam taburu ile hava unsuru için destek istenmişti. Romanya Kraliyet Hava Kuvvetleri'nin Sovyet kara ve hava kuvvetlerine karşı bazı başarılar elde etmiş olmasına karşın deniz hedeflerine karşı yeterli donanımı yoktu. Buna karşın Sovyetler Birliği Karadeniz'deki donanmasını düzenli olarak takviye ediyor ve bütünleme ikmali yapıyordu.
Bu arada Rumen taarruzu, takviye kuvvetlerinin bölgeye ulaşmasını beklemek için ertelenmiştir. Bu erteleme süresi içinde General René von Courbier komuta ettiği bir piyade alayı, bir taarruz istihkam alayı ve iki topçu alayından oluşan Alman müfrezesi bölgeye ulaştı. Alman müfrezesi bölgeye ulaştığı sıralarda Sovyet savunması da mühimmat yönünden ikmal edilmiş ve 15 bin kişilik bir takviye kuvveti almıştı. 4. Ordu Komutanı General Ciupercă 9 Eylül'de görevden alınarak yerine General Iosif Iacobici atandı. Yeni ordu komutanı, genel karargâh emirlerine sorgusuz uyulmasını emrederek göreve başladı. Rumen taarruzu 12 Eylül'de yeniden başladı. Fakat 14 Eylül'de Alman ve Rumen topçusunun mühimmatı azaldığı için yeniden durduruldu. İki tabur Kızıl Ordu birlikleri tarafından kuşatıldıysa da kuşatmadan kurtulmayı başardılar.
Sovyet birlikleri, 15 Eylül akşamı Rumen 1. Kolordusu ile teması kesip güneydoğu yönünde geri çekildiler. Ertesi gün 16 Eylül'de 1. Kolordu Gross-Liebenthal'ın kuzeybatısındaki tepeleri aldılar. Rumen birlikleri de Sukhoy'un güneyindeki bölgeyi işgal ettiler. Kızıl Ordu'nun 3 binden fazla askeri esir alındı. Fakat 12.600 mevcutlu 157. Piyade Tümeni'yle bölge takviye edildi. Ayrıca Novorossiysk'den 18 Sovyet bölüğü gönderildi.