Ввиду неудавшихся дневных атак противник решил осуществить прорыв фронта обороны частей западного сектора в ночное время. Так, в ночь с 24 на 25 августа он неоднократно переходил в атаки на фронте хуторов Октябрь и Дубиново. Однако огнем и контратаками войск западного сектора враг был отброшен на исходные позиции, понеся при этом большие потери — более 1000 человек только убитыми. Наши контратакующие части захватили танк, 4 миномета, 6 станковых пулеметов и взяли пленных. В ночь на 3 сентября румынские войска вновь перешли в наступление. Это была массовая ночная атака, в ходе которой главный удар противник наносил вдоль железной дороги и южнее. Части западного сектора обороны оказывали упорное сопротивление. Подпуская румын на дистанцию 100 м, они расстреливали их в упор, переходили в штыковые контратаки.
В дальнейшем на этом участке фронта бои также приняли позиционный характер. В результате неоднократных атак и введения резервов противник смог продвинуться в глубь нашей обороны очень немного: на 1–1,5 км, прорвать же фронт западного сектора обороны ему не удалось.
Не менее ожесточенные бои происходили в южном секторе обороны, в частности в районе Кагарлыка. Введя на этом направлении 1-ю гвардейскую пограничную дивизию, румыны беспрерывными атаками стремились сломить сопротивление частей 25-й стрелковой дивизии и охватить левый фланг Приморской армии. В ночь на 20 августа, выполняя приказ командования, части 25-й дивизии начали отход на новый оборонительный рубеж: хутор Петровский, Маяки. Однако из-за сильного нажима со стороны противника, наседавшего на наши отходившие войска, а также по причине недостаточно твердого управления ими, части 25-й стрелковой дивизии не смогли удержаться на указанном рубеже. Противник на плечах отходящих частей распространился восточнее рубежа обороны, предусмотренного приказом. К исходу 20 августа завязались упорные бои на фронте Красный Переселенец, Петерсталь. Вследствие поспешного отхода 25-й дивизии 1-я кавалерийская дивизия (29 августа, после пополнения, эта дивизия, согласно распоряжению Генерального штаба, была переименована во 2-ю кавалерийскую дивизию), получившая задачу выдвинуться на линию хутор Карсталь, Фрейденталь, не смогла здесь задержать противника и откатилась на рубеж Выгода, хутор Вакаржаны.
Командование Приморской армии потребовало от дивизий немедленного восстановления положения, но этого сделать им не удалось. Противник остановил наши контратакующие части, а местами потеснил их. Командующий армией убедился, что дальнейшие контратаки на этом рубеже вызовут только лишние потери, и отдал распоряжение о частичном отходе левофланговых частей. 95-й и 25-й стрелковым дивизиям было приказано отойти на рубеж: Палиово, Выгода, хутора Дубиново, Вакаржаны, высота 80,0, Петерсталь, Францфельд.
Противник не прекращал своих атак, развивая удар на участке Фрейденталь, Петерсталь и 24 августа после ожесточенного боя овладел поселком Петерсталь. Он непрерывно нащупывал стыки оборонявшихся советских частей и подразделений, а затем после сильной артиллерийской и минометной подготовки выбрасывал вперед автоматчиков, которые, пользуясь полями кукурузы, просачивались в стыки и расширяли их, вынуждая части Приморской армии загибать свои фланги, а на отдельных участках — отходить на новые рубежи.
30 августа Одесский порт снова подвергся ожесточенной бомбардировке с воздуха. Главный удар был направлен против крейсера «Червона Украина» и лидера «Ташкент», поддерживавших своим огнем сухопутные силы. Одной из бомб, разорвавшейся вблизи лидера, был пробит его борт, но потопить корабль немецкой авиации не удалось: лидер «Ташкент» своим ходом ушел в Севастопольский порт.
В результате упорных боев к 1 сентября фронт войск южного сектора проходил от хутора Вакаржаны по высотам 75,8; 67,5; 79,4, Красная Юхимовка.
Сосредоточив свежие 14, 21-ю и 35-ю пехотные дивизии, противник 1 сентября возобновил свои атаки в юго-восточном направлении на Ленинталь, хутора Болгарские и вклинился в оборону частей Приморской армии, заняв ко 2 сентября рубеж высоты 75,8; 68,3, Ленинталь. В последующие дни противник непрерывными атаками превосходящих сил пытался еще более вклиниться в оборону советских частей (в направлении хуторов Болгарских). Но контратаками с флангов дальнейшее продвижение противника было задержано. 12 сентября, после перегруппировки, немецко-румынские войска перешли в наступление на всем фронте, стремясь во что бы то ни стало прорвать оборону Приморской армии и выйти к Одессе. Наступление румынской пехоты поддерживалось значительным количеством артиллерии (на отдельных направлениях плотность ее достигала 80 орудий на километр фронта).