В соответствии с этим 6 августа был сформирован Отряд кораблей северо-западного района (переведенный с Балтики бывший командующий эскадрой КБФ контр-адмирал Д. Д. Вдовиченко) в составе минных заградителей «Коминтерн» (бывший крейсер) и «Лукомский», старых эсминцев «Шаумян» и «Незаможник», трех канонерских лодок-«эльпидифоров», 2-й бригады торпедных катеров, 5-го дивизиона тральщиков, а также отряда и звена сторожевых катеров. Отряд должен был оборонять Одессу с морского направления, поддерживать приморские фланги и обеспечивать благоприятный оперативный режим в зоне ответственности Одесской ВМБ. Поскольку надежно прикрыть с воздуха отряд в районе Одессы было затруднительно, в него включили только старые корабли, возможная потеря которых стала бы для флота менее болезненной. Оборотной стороной стала неспособность отряда решать возложенные на него задачи в полном объеме, тем более что далеко не все указанные в приказе силы прибыли в Одессу в действительности. Поэтому с 19 августа пришлось привлекать корабли эскадры ЧФ – крейсера «Красный Кавказ», «Красный Крым», «Червона Украина», лидер «Ташкент», эсминцы и вспомогательный крейсер «Микоян».
Общая численность войск в районе Одессы к началу боев составляла 34,5 тыс. человек, а к окончанию эвакуации (16 октября) выросла до 86 тыс. На Одессу наступала 4-я румынская армия. Изначально она, имея свыше 160 тыс. человек, численно превосходила защитников города почти в пять раз. Постепенно это соотношение снизилось примерно до 3:1, но все равно превосходство оставалось подавляющим. Неудивительно, что при всех проблемах румын с тактикой и боевым духом, кольцо вокруг Одессы постепенно сжималось. 13 августа противник вышел к морю у Сычавки, перерезав сообщение с Одессой по суше. Но в целом наступление развивалось темпами, не удовлетворявшими противника. Антонеску, ранее по политическим соображениям отказывавшийся от участия немецких войск в осаде Одессы, теперь запросил помощь. 23 августа ему была выделена артиллерия (два дивизиона береговой артиллерии – 36 французских 155-мм пушек, дивизион чешских тяжелых полевых гаубиц, батарея дальнобойных 105-мм пушек K18), а также два саперных батальона и 6-я рота диверсионного полка «Бранденбург». При немецкой артподдержке румыны в восточном секторе дошли до 180-мм батареи БС-412 – важнейшего опорного пункта. Утром 25 августа батарея была взорвана и оставлена защитниками.
В эти дни наглядно проявились ограниченные возможности корабельной артиллерии Черноморского флота. Несколько дней корабли, включая крейсер «Красный Крым», обстреливали наступающего противника, в т. ч. и вблизи берега, но потерю 412-й батареи предотвратить не смогли. По отчету эскадры, она для поддержки ООР провела за весь период обороны 138 стрельб, израсходовав 8013 снарядов (120 – 180-мм, 4951 – 130-мм, 2885 – 102-мм, 79 – 76-мм и 78 – 45-мм). Но около 65 % стрельб было проведено по площадям – резкий контраст по сравнению с береговой артиллерией.
Противник значительно продвинулся в направлении порта, и уже вечером 25 августа порт был впервые обстрелян. 28 августа прямое попадание получил эсминец «Фрунзе». 31 августа румыны заняли Фонтанку, откуда был виден порт, т. е. появилась возможность корректировать огонь. К вечеру, подтянув артиллерию, противник начал пристрелку. Кораблям в гавани пришлось прятаться за высокими зданиями. Транспорты теперь могли входить и выходить только по ночам. В сентябре повреждения получили эсминцы «Шаумян», «Бодрый», тральщики «Райкомвод», «Пионер», транспорты «Чичерин», «Абхазия», «Грузия», учебный корабль «Днепр» и ряд более мелких единиц. На случай, если портом вообще будет невозможно пользоваться, были построены временные причалы южнее, у Аркадии.