、第七步兵师和第二坦克团)负责正面强攻敖德萨，右翼第五集群(辖罗军第十五步兵师、第一装甲师和第一骑兵旅)负责由敖德萨以南发起侧攻。
八月八日，罗马尼亚军发起总攻。罗马尼亚军第一骑兵旅突破外围防线，孤军深入至亚历山德罗夫卡镇，原地转入防御，等待后续跟进的罗军第一装甲师。下午，随着远处传来隆隆的螺旋桨声，很快天空中出现了数架被喻为“黑色死神”的苏军“伊尔-二”强击机。它们喷吐着火舌扑向地面，一排排弹雨过后，罗军人仰马翻，一些受伤后倒地的战马苦苦挣扎，发出声嘶力竭的哀嚎。空袭刚过，四面八方就涌出难以计数的苏军士兵，他们口中高喊着“乌拉！”潮水般扑向罗军。双方随即展开了一场中世纪般的搏杀：罗军骑兵抽出锋利的马刀，策马出击；苏军步兵排着整齐的队列，步枪上好了雪亮的刺刀，杀向罗军骑兵。一时间，小镇里杀声震天。战至下午，罗军第一装甲师赶到，罗军才挡住苏军的反击。随后几天，罗军不断进攻，不久占领了敖德萨城外的蓄水池，切断了市内水源，使敖德萨军民只能依靠海运的淡水维持生命。
十八日黎明，罗军两个步兵团以一个坦克团为先导向敖德萨外围防线的米哈伊洛夫卡镇发起进攻。罗军坦克刚刚前进不久，对面阵地上就闪起一道道光晕，苏军密集的反坦克炮火像雨点般袭来。转眼间罗军二十余辆捷克制三五(t)轻型坦克便被接连命中，坦克团团长当即毙命。失去坦克支援的辆个罗军步兵团仍然拼死冲锋，杀进镇里，战斗异常惨烈，包括两个团长在内的半数罗军军官阵亡。当日夜，罗军终于彻底控制该镇。二十四日，罗军全面突破了苏军外围防线，敖德萨市区已进入罗军重炮射程之内。
战斗一直持续了一个多月，直到九月二十日，南方集团军群已经打完了基辅会战，忽然发现罗马尼亚军队仍然在敖德萨市区和苏联红军作战，于是和安东尼斯库元帅商量，和罗马尼亚军队一起作战，可能是敖德萨的战斗让安东尼斯库元帅脸上有些挂不住，安东尼斯库元帅拒绝了这个提议。命令罗马尼亚军队一定要独立完成这个战役，因为安东尼斯库元帅知道，如果罗马尼亚军队不能证明自己的价值，很可能会重复一战意大利的悲剧，那就是明明是战胜国，却什么都没有得到。而且罗马尼亚迫切的需要苏联领土来补偿已经还给匈牙利的领土，种种原因迫使安东尼斯库元帅下达了独立作战的命令。
罗军终于突破了苏军中层防线，罗军第七骑兵旅一部突入了敖德萨东部市区，跟进的罗军炮兵立即对敖德萨港口进行封锁射击，致使苏联海军运送补给的舰只无法出入港口。被逼上绝路的苏军在二十二日发动了整个战役中规模最大的一次反击，出动了驻防市内的两个步兵师，并从海上登陆一个团的海军陆战队进行配合。进攻发起前，苏军在罗军第7骑兵旅后方空降了一个小分队，他们袭击了一个罗军团指挥部，并四处活动，造成大部队空降的假象。罗军一时惊慌失措，竟然主动后撤了六公里。得知了情况的安东尼斯库元帅狠狠地训斥了尼古拉伊·索皮卡中将，要求他必须尽快攻克敖德萨。
得到了安东尼斯库元帅死命令的尼古拉伊·索皮卡中将，现在也知道罗马尼亚的尴尬地位，只能继续指挥已经十分疲惫的罗马尼亚军队继续攻击敖德萨。
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