9 августа с севера на Николаев начали наступление войска 1-й танковой группы противника, с запада приближалась 11-я армия. Командующий фронтом генерал армии И. В. Тюленев приказал отвести войска из районов западнее Буга. Переправу успешно прикрывала Дунайская флотилия. Вечером того же дня в город прибыл заместитель наркома ВМФ вице-адмирал Г. И. Левченко. По его приказу силы Николаевской базы заняли оборону на подступах к городу вместе с частями 9-й армии, для борьбы с танками были привлечены зенитные батареи базы. Флотские истребители интенсивно штурмовали колонны наступающего противника. 10 августа части базы вступили в бой с передовыми отрядами противника. В этот же день городские власти без согласования с военными начали уничтожать объекты инфраструктуры, что вызвало панику и неразбериху. 11 августа в Николаев из Севастополя прибыло затребованное Левченко подкрепление – 500 моряков. Однако они прибыли без оружия, вооружить их было нечем, и отряд отправили обратно. Командование Черноморского флота и нарком ВМФ не имели ясного представления о ситуации в Николаеве и, судя по указаниям Н. Г. Кузнецова, с оптимизмом смотрели на перспективы обороны базы. Вероятно, этим и объясняется отсутствие реакции на просьбы Левченко помочь бомбардировочной авиацией. Между тем 13 августа противник перерезал дорогу Николаев – Херсон. Аэродромы вокруг города уже были или захвачены, или находились под огнем, поэтому 9-й авиаполк перелетел на другие площадки. В ночь на 14 августа тылы базы окольными дорогами были выведены в Херсон. Николаев находился под непрерывным огнем артиллерии, город горел, пожары уже не тушили. 13–14 августа подрывными партиями базы проводилось уничтожение объектов, оборудования, материальных запасов и прочего имущества судостроительных заводов. Однако в сложившейся обстановке это удалось не полностью. В ночь на 15 августа части 9-й армии осуществили прорыв из города в восточном направлении. Одновременно с боем прорвались в Херсон и части Николаевской ВМБ. В числе прочего удалось спасти значительную часть зенитной артиллерии. Прорвалась под огнем артиллерии в море и ушла в Херсон Дунайская флотилия. Оставленные в Николаеве для прикрытия общего отхода части 9-й армии упорно обороняли город до вечера 16 августа (16-я немецкая танковая дивизия донесла о тяжелых боях), а последние очаги сопротивления были подавлены только на следующий день.
Падение Николаева – крупнейшего центра судостроения на Черном море – было предопределено поражением в районе Умани в начале августа. Две оставшиеся армии Южного фронта не имели сил удерживать Южную Украину западнее Днепра. Флот, даже если бы его командование приняло более энергичные меры, вряд ли одновременно с обороной Одессы смог бы выделить достаточные силы для продолжительной обороны еще одного плацдарма.
Г.И. Левченко. В 1941-м – заместитель наркома ВМФ, его представитель на Черном море, командующий войсками Крыма
Очаковский укрепленный сектор (майор П. З. Базилевич), закрывавший вход в Днепро-Бугский лиман, имел четыре стационарные батареи (по четыре 203-мм орудия в Очакове и на острове Первомайский, четыре 75-мм и четыре 45-мм орудия), а также пять внештатных 75-мм орудий. От ударов с воздуха сектор прикрывали 2-й отдельный зенитный дивизион (20 76-мм орудий) и часть сил 9-го истребительного полка ВВС ЧФ. В городе совершенно не было армейских частей. Гарнизон, сформированный из личного состава флота, насчитывал 3545 человек. 12 августа Левченко выделил Очаковский укрепленный сектор из Одесской ВМБ в отдельное соединение, а 14 августа назначил начальником гарнизона генерал-майора береговой службы И. Н. Кузьмичева. Интересно отметить, что по своей штатной должности Кузьмичев являлся начальником отдела в Управлении боевой подготовки НК ВМФ, а на Черном море находился в командировке. Он получил задачу удерживать Очаков до последней возможности, но в случае сильного нажима переправиться на Кинбурнскую косу и острова Березань, Первомайский, продолжая контролировать вход в Днепро-Бугский лиман.