Во исполнение этого была задумана ночная десантная операция. Замысел ее сводился к следующему: в районе Григорьевки скрытно (ночью) высаживался морской десант с задачей действовать в западном направлении по тылам противника, в целях взаимодействия с десантом на рассвете должны были перейти в наступление в северо-восточном направлении части 421-й стрелковой дивизии и вновь прибывшей 157-й стрелковой дивизии (восточный сектор). Таким образом, предусматривался комбинированный удар с фронта сухопутными частями и с тыла морского десанта, поддержанного кораблями, с целью уничтожить противника между Аджалыкским и Большим Аджалыкским лиманами. Район Григорьевки, намеченный для десанта, был выбран потому, что, по данным разведки, у противника здесь имелись лишь небольшие части прикрытия. Время начала высадки десанта назначалось на 24.00 21 сентября, конец — на 02.00 22-го. За полтора часа до начала десантной операции вся имевшаяся в распоряжении защитников города артиллерия переключалась на поддержку продвижения десанта. Одновременно с высадкой морского десанта выбрасывался парашютный десант в составе 23 человек в районе поселка Чебанка с задачей нарушения связи в тылу румынских войск. Наступление сухопутных сил предполагалось начать через два часа после высадки морского десанта. Вместе с десантом на берег высаживались артиллеристы-корректировщики с задачей обеспечивать помощь со стороны корабельной артиллерии.
Перед началом операции в ее план были внесены частичные изменения. Так, в целях достижения внезапности предварительный бомбовый удар авиации по войскам противника отменялся, он приурочивался к началу наступления. Предварительный артиллерийский обстрел пунктов высадки был отменен по тем же соображениям. Наконец, изменялось и время высадки десанта: начало ее было отнесено на два часа позже первоначально намеченного срока.
В окончательном виде решение на контрнаступление излагалось в приказе войскам Приморской армии № 0024 от 21 сентября 1941 года.
Согласно этому приказу, на рассвете 22 сентября в районе Григорьевки высаживался 3-й морской полк в составе 1500 человек с задачей овладеть районом высот 42,9, Каменоломня в 2 км севернее Новой Дофиновки, Спасательная станция и внезапными действиями с тыла способствовать захвату рубежа восточнее Большого Аджалыкского лимана. Командующим десантной операцией был назначен контр-адмирал Л. А. Владимирский.
Операции предшествовала длительная тренировка 3-го морского полка в Казачьей бухте Севастополя. Были отработаны: ночная высадка десанта с кораблей, управление операцией, действия высадившихся войск, поддержка их артиллерией с кораблей и авиацией. Десант должен был погрузиться на корабли в Казачьей бухте и без захода в Одессу отправиться непосредственно к месту высадки.
Для перевозки и обеспечения его действий на берегу были выделены: крейсеры «Красный Кавказ» и «Красный Крым», эсминцы «Бойкий» и «Безупречный»; отряд корабельной поддержки — канонерские лодки «Красная Грузия», «Кубань» и 5 скоростных катеров; средства высадки — 19 катеров, 10 корабельных баркасов и буксир «Алупка». С воздуха корабли прикрывались истребителями и обеспечивались разведчиками дальнего действия. Выход из Севастополя был назначен на 13.00 21 сентября с таким расчетом, чтобы к 1.00 22 сентября подойти к району Григорьевки. Для ориентирования ночью в районе высадки был выставлен освещаемый буй с постоянным белым огнем, видимый на расстоянии трех миль. Корабли были оборудованы дополнительными трапами по два с каждого борта, место было обозначено канонерской лодкой «Красная Грузия», служившей ориентиром для катеров, перевозивших войска с кораблей; она же в случае необходимости должна была поддерживать высаживающийся десант огнем.
Готовившаяся операция держалась в строгой тайне. Задача войскам была объявлена лишь с отходом кораблей из Севастополя, Крейсеры «Красный Крым» и «Красный Кавказ» после высадки десанта возвращались в Севастополь. Операции предшествовала тщательная воздушная и наземная разведка районов, прилегающих к месту высадки. На авиацию возлагалась задача днем 21 сентября и в ночь на 22 сентября бомбовыми ударами по аэродромам и скоплениям войск противника в восточном секторе нейтрализовать действия вражеской авиации и воспретить сосредоточение в этом районе немецко-румынских сил. Корабли Черноморского флота систематическим обстрелом вражеских батарей и расположения противника должны были обеспечить успешные действия десанта. Таким образом, десантная операция была тщательно продумана во всех деталях штабами Черноморского флота и Одесского оборонительного района.
Одновременно с началом высадки морского десанта войска Приморской армии с утра 22 сентября частью сил переходили в наступление с целью овладения рубежом совхоз им. Ворошилова, высота 55,1, высота 63,6, хутор Петровский, поселок Шевченко, отметка 20,0.