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。
18日黎明，罗军2个步兵团以1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20余辆捷克制35(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2个罗军步兵团仍然拼死冲锋，杀进镇里，战斗异常惨烈，包括2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。
24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。
空袭切断苏军补给，战斗从外围逼近市区
28日晨，随着隆隆炮声，罗军打响了对苏军中层防线的进攻战。苏军顽强抵抗，敖德萨市内，拖拉机厂工人配合苏军为拖拉机安装45毫米反坦克炮，改装成简易坦克投入战斗；战场上，苏军反坦克炮手，面对驶近的罗军坦克，无一后撤，连续开炮直至战死炮位。
13日，为打破僵局，罗军集中了两个师再度发起强攻，突然遭遇大量苏军抵抗，全天仅推进300米，打头阵的一个步兵师伤亡巨大，不得不撤出战斗，由其他部队顶替。后据情报显示，原来苏军刚从黑海将1个步兵师约12600人运抵敖德萨防线。
罗军很快组织对敖德萨港口的大规模空袭阻止苏军的补给和增援。15日、16日，德国空军和罗马尼亚空军联合出动了9个轰炸机大队对敖德萨港口展开轰炸。罗军轰炸机低空接近，使善于对付高空目标但射速慢的苏军重型高炮难以发挥优势。空袭给苏联海军运输补给舰队致命打击，击沉苏军驱逐舰、炮艇、拖船、运输舰各1艘，击伤多艘，使苏军在敖德萨的海上支援一度中断。
9月21日，罗军终于突破了苏军中层防线，罗军第7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。
苏军战斗到最后一个排
被逼上绝路的苏军在9月22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2个步兵师，并从海上登陆1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6公里。
苏军短暂的胜利只换回了不到10天的平静。罗军很快重新集结力量在部分德军配合下，扫清了市区外围的防御工事，左右翼集群合成了一个包围圈，并逐渐压缩，不少部队攻入市区，罗军的炮火开始日夜不停地轰击敖德萨市区的每寸土地。
10月12日，罗军拼凑了所有兵力，向敖德萨市区内苏军发起了最后的总攻。市区内苏联红军余部在市民的支持下，与侵略者进行了最后的战斗。每一栋建筑、每一间屋子都成了残酷的战场。
又经历了几天激烈的战斗后，还在苏军手中的只剩下了敖德萨港口。16日，随着港口外最后一艘苏军驱逐舰驶离，防守苏军失去了最后的炮火掩护，但仅剩的一个排的苏军仍在一个港口要塞里阻击着罗军。这些敖德萨最后的保卫者为苏维埃祖国尽完了最后的义务，下午4点，在重炮的轰击下，要塞被彻底摧毁。当夜，罗军攻陷整个敖德萨市。
代价昂贵的最强一击
从1941年8月8日至10月16日的敖德萨战役最后以罗军的胜利告终。德军借此切断了苏军从黑海通向乌克兰的运输线，并顺利地控制了整个乌克兰。
罗马尼亚军队在这次战役中付出了惨重的代价，伤亡8.1万人(其中17729人阵亡)，失踪11471人(多数被俘)。苏军在敖德萨战役中伤亡4.1万(其中阵亡16578人)。
此后，罗马尼亚军队还参加了1941年克里米亚半岛战役、1942年斯大林格勒战役以及同年的高加索战役，大多充当德军配角。值得一提的是在斯大林格勒战役中，面对苏军的强大反攻，负责保护德军侧翼的罗马尼亚第4集团军溃不成军，在相当程度上导致了德军的最终失利。
罗马尼亚军队在战争中的重大损失，使其国内民众怨声载道，反对安东尼斯库独裁统治的呼声日趋高涨。1944年8月，转入反攻的苏联红军重兵进抵罗马尼亚东北部，罗马尼亚共产党人趁机领导武装起义，推翻了安东尼斯库政权，罗马尼亚转而加入了反法西斯阵营，罗军的倒戈也加速了德国法西斯的灭亡。
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