Несмотря на то что ожесточенные бои с противником происходили уже на ближних подступах к городу, руководство обороной по-прежнему оставалось разрозненным. Командующий Приморской армией продолжал руководить сухопутными войсками, командир Одесской военно-морской базы стоял во главе флота, действующего в северо-западной части Черного моря, советские и партийные организации осуществляли управление городом. Требовалось объединить руководство обороной в одних руках. 19 августа последовала директива Ставки Верховного Главнокомандования (№ 001066), на основе которой был создан Одесский оборонительный район (OOP) во глазе с контр-адмиралом Г. В. Жуковым, подчинявшимся непосредственно командующему Черноморским флотом. В руках командующего Одесским оборонительным районом была сосредоточена вся полнота власти, он распоряжался всеми силами и средствами Приморской армии, морской базы и города. Заместителем командующего был утвержден командующий Приморской армией генерал-лейтенант Г. П. Софронов. Командир Одесской военно-морской базы контр-адмирал Кулишев и командующий воздушными силами комбриг Катров были назначены помощниками командующего. Для быстрого решения всех вопросов, связанных с участием в обороне гражданских организаций, в состав Военного Совета Одесского оборонительного района был введен секретарь Одесского обкома ВКП(б) А. Г. Колыбанов. Такая организация командования способствовала укреплению дисциплины и порядка, она позволяла в кратчайший срок мобилизовать наличные ресурсы сил и материально-технических средств с тем, чтобы наиболее эффективно использовать их для нужд обороны.
Войскам Одесского оборонительного района директивой Ставки были поставлены следующие задачи:
«1) Одесский район оборонять на рубеже: Фонтанка, Кубанка, Ковалевка, Отрадовка, хутор Первомайск, Беляевка, Маяки, Каролино-Бугаз до последнего бойца.
2) При организации обороны уделить особое внимание созданию и развитию оборонительных инженерных сооружений. Создать оборонительные рубежи и привести в оборонительное состояние город.
3) Мобилизовать и использовать все способное население для обороны города и района, создать запасные части.
4) Изъять из базы тыловых частей и учреждений весь излишний начальствующий и рядовой состав и использовать его в строю.
5) Установить в городе и в районе порядок и соответствующий режим для гражданского населения.
6) Выявить в районе и городе наличие вооружения, военной техники и другого военного имущества; использовать его для обороны.
Все ненужное для обороны эвакуировать. Эвакуацию производить во всех случаях с разрешения контр-адмирала Жукова».
В соответствии с этими указаниями Ставки и создавшейся на фронте обстановкой решение командования Одесского оборонительного района было таково:
Восточному сектору, продолжая выполнение прежней задачи, оборонять рубеж: Григорьевна, высота 55,1, Ильинка, Чеботаревка.
Западному сектору (95-я стрелковая дивизия с приданным бронепоездом № 1) к 8.00 20 августа отойти и занять для обороны рубеж: Палиово, Выгода, хутор Петровский.
Южному сектору (25-я стрелковая дивизия) к 8.00 20 августа также отойти и занять для обороны рубеж: Карсталь, Маяки, Каролино-Бугаз.
Для обеспечения планомерного отхода частей 25-й стрелковой дивизии, втянувшихся в ожесточенные бои с наседавшим на них противником, армейский резерв — 1-я кавалерийская дивизия — выдвигалась к 2.00 20 августа в район Карстали. Заняв там оборону, кавалеристы должны были принять на себя отходящие части 25-й стрелковой дивизии. С отходом последних на указанный им рубеж кавалерийская дивизия вновь сосредоточивалась в армейском резерве в районе поселка Застава, населенных пунктов Дальник и Татарка.
Аналогичная задача была поставлена батальону ВНОС, который должен был к 2.00 20 августа занять для обороны район Карсталь, высота 94,2, а с отходом частей 25-й стрелковой дивизии на новый рубеж поступить в армейский резерв, сосредоточившись в районе совхоза Ульяновка.
Ввиду того что армейский резерв был израсходован, восточному сектору приказывалось выделить в резерв командующего армией 1-й морской полк, который к 7.00 20 августа сосредоточить в район поселка Застава.