Командованию Южного фронта стало ясно, что основные усилия противника сосредоточены в 40–50 км севернее Николаева. Нужно было как-то задержать его соединения, обходившие правый фланг советских войск. Учитывая чувствительность немцев к фланговым ударам, командование ЮФ, не имея других сил и средств, вывели из боя под Вознесенском 2-й кавалерийский корпус и перебросили его к 12 августа в район Нового Буга. Выйдя в этот район, корпус осуществил удар по хвосту колонны 9-й танковой дивизии немцев, нанес ей потери и вынудил ее развернуться и принять бой.
Прорыв противника в районе Пески и его наступление за реку Ингулец создали очень тяжелое для войск Южного фронта положение. 9-й и 18-й армиям угрожала опасность окружения в районе Николаева.
Ставка Верховного Главнокомандования, учитывая большое политическое и военное значение городов Одесса и Николаев, приказала этих городов не сдавать, а организовать их прочную оборону, которая облегчалась тем, что Черноморский флот господствовал на Черном море, а Дунайская и Днепровская флотилии действовали на реках Южный Буг, Ингул, Днестр и Днепр.
На основании указаний Ставки Верховного Главнокомандования (11 августа с командующим Южным фронтом говорил по телефону начальник Генштаба РККА Маршал Советского Союза Б. М. Шапошников), командующий Южным фронтом генерал армии И. В. Тюленев 11 августа 1941 года решил отвести 9-ю армию за реку Ингул и возложить на нее задачу обороны города Николаев. Оборона Одессы возлагалась на Приморскую армию, которая к вечеру 10 августа отошла на дальние подступы к Одессе и приступила к организации обороны.
12 августа Ставка разрешила отвести 18-ю и 9-ю армии на рубеж Кривой Рог, река Ингул. В то же время Южный фронт должен был продолжать прочно удерживать Одессу и Николаев, К этому времени создалось исключительно тяжелое положение для всей 9-й армии, прижатой превосходящими силами врага к реке Южный Буг, через которую для армии подготовленных переправ не было. Но благодаря героическим усилиям инженерных войск, использованию местных средств и даже плавучего дока Николаевских верфей был наведен трехкилометровый мост, что спасло положение. Вся материальная часть и войска 9-й армии сумели переправиться на восточный берег реки.
13 августа штаб фронта из Николаева передислоцировался в Берислав, а войска фронта, в соответствии с указаниями Ставки, прикрываясь частью сил 18-й армии с севера и северо-востока, начали отход на указанный Ставкой рубеж.
Бои за Николаев шли в течение 13–16 августа. Город обороняли 30 и 150 сд, имевшие в своем составе 418-й гаубичный (150 сд), 59-й легкий и 121-й гаубичный (30 сд), а также 648-й корпусной артиллерийский полки. Артиллерийское обеспечение обороны переправы через реку Ингулец в районе Снигиревки возлагалось на 266-й корпусной артполк и артиллерию 296 сд.
15 августа противнику, наступавшему с севера, удалось прорваться к Николаеву. Советские войска в течение суток отбивали атаки врага, прикрывая отступление основных сил на восток. К утру 16 августа немецкие войска окружили город, где еще оставался один стрелковый полк 51 сд, усиленный 225-м гаубичным артполком. Весь день стрелки и артиллеристы вели уличные бои с врагом. В ночь на 17 августа командир 225 гап организовал контратаку с целью прорыва из окружения и вывода оставшейся матчасти. Контратака успеха не имела, но л/с полка, уничтожив орудия и автомашины, пробился к Херсону.
В это время 18-я армия получила задачу нанести контрудар из района Пески, Явкино в направлении на Новый Буг, во взаимодействии со 2-м кавалерийским корпусом, наступающим в этом направлении с севера, восстановить оборону по реке Ингул.
Свой контрудар в направлении Нового Буга 18 А начала еще 13 августа, но выполнить задачу ей не удалось. Это объясняется тем, что германское командование усилило свою группировку на этом направлении и создало большое превосходство в силах и средствах. Кроме того, против войск 18-й армии действовали подвижные войска, большое количество танков, а 18-я армия не имела танков, а также не имела и противотанковых средств борьбы. Германские войска, отразив контрудар 18-й армии, 14 августа возобновили наступление. Наибольшую опасность для войск 9-й и 18-й армий представляло их наступление на юг вдоль восточного берега реки Ингулец. На этом направлении создалась реальная угроза выхода немецких войск в район населенных пунктов Берислава и Каховки ранее, чем туда смогли бы отойти войска 9-й и 18-й армий. Войска Южного фронта начали отход за реку Днепр.
Противник, стремясь не допустить отхода наших войск, силами 16-й танковой и моторизованной дивизии СС «Лейбштандарт СС Адольф Гитлер» прорвался на стыке 18-й и 9-й армий и перерезал им пути отхода на восток. Пришлось бросить в бой все силы авиации фронта, которые, взаимодействуя с войсками 18-й и 9-й армий, в основном обеспечили их отход и нанесли большие потери противнику. В ночь на 17 августа 2-й кавалерийский корпус, 18-я и 9-я армии переправлялись через речку Ингулец, имея приказ отойти на восточный берег Днепра.