ПВО Одессы обеспечивал 69-й истребительный авиаполк ВВС Красной армии (на 1 августа 56 И-16, к 10 октября их число упало до 21) и части 15-й бригады ПВО – 638-й зенитный артполк (пять дивизионов трехбатарейного состава с 85-мм пушками), 27-й дивизион МЗА, 162-й зенитный пульбатальон, 6-й дивизион аэростатов заграждения и 21-й протекторный батальон. Флот имел в Одессе 73-й зенитный полк, пулеметный и прожекторный батальоны – 24 76-мм орудия, 18 зенитных пулеметов (9 М-4 и 9 М-1) и 9 прожекторов. Вблизи Одессы и в самом городе были оборудованы посадочные площадки, с которых действовали частично 93-я и 101-я истребительные (с начала сентября 1-я и 5-я эскадрильи 8-го иап), а также звено Ил-2 46-й штурмовой эскадрильи ВВС ЧФ. Части ВВС ЧФ в Одессе находились в оперативном подчинении у командира 69-го иап.
В июле обстановка на южном крыле фронта ухудшилась, и к началу августа обозначилась угроза Одессе. 5 августа Ставка в директиве об отводе войск Южного фронта на новые рубежи приказала оборонять город до последней возможности. Делать это предстояло Приморской армии (всего две стрелковые и одна кавалерийская дивизия) и силам Одесской ВМБ. Сначала единого командования не было. 15–16 августа командир базы и начальник гарнизона Одессы Г. В. Жуков предотвратил вывоз морем бойцов Приморской армии с оружием. За это командующий армией генерал-лейтенант Г. П. Софронов освободил его от обязанностей начальника гарнизона. Острый конфликт дошел до самого верха. В ночь на 19 августа вышла директива Ставки № 001066 за подписью Сталина и Шапошникова, согласно которой образовывался Одесский оборонительный район (ООР), его командующим назначался контр-адмирал Жуков. Ему были подчинены все вооруженные силы под Одессой, в т. ч. и Приморская армия, сгоряча названная в директиве «бывшей», а также все гражданские организации. Этот организационный опыт оказался удачным и впоследствии неоднократно воспроизводился. Жуков получил задачи оборонять ООР до последнего бойца, развивать систему оборонительных сооружений, максимально использовать для обороны людские и материальные ресурсы Одессы, поддерживать порядок в городе и эвакуировать все ненужное для обороны. Черноморский флот получил от Н. Г. Кузнецова следующие задачи, касающиеся обороны Одессы: организовать и отработать взаимодействие с армией, удерживать город даже в случае отхода армии, в случае окружения Одессы организовать поддержку с моря, создать на Тендре маневренную базу для обеспечения перевозок в Одессу, использовать для поддержки сухопутных войск корабли и авиацию основного ядра флота.
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.