421-я стрелковая дивизия (без 1331-го стрелкового полка) с приданными ей 3-м дивизионом 134-го гаубичного артиллерийского полка, 37-й и 38-й батареями Одесской военно-морской базы, при поддержке артиллерийского огня с кораблей Черноморского флота, наступала в общем направлении на Крыжановку, высоты 49,7 и 55,1 с ближайшей задачей овладеть рубежом совхоз им. Ворошилова, молочная ферма ДОПРа, высота 65,9.
157-я стрелковая дивизия (без 384-го стрелкового полка) с приданными ей 1-м дивизионом 134-го гаубичного артиллерийского полка, 85-м артиллерийским полком и танковым отрядом действовала в общем направлении на Корсунцы, выс. 69,7, имея ближайшей задачей занять рубеж высоты 65,9; 65,5 и 51,4. Наступление частей армии должно было поддерживаться огнем дальнобойной артиллерии: двух батарей 265-го корпусного артиллерийского полка и одной батареи Одесской военно-морской базы.
21 сентября в 13.00 в Казачьей бухте десант закончил посадку на корабли, и через полчаса караван судов направился к Одессе. Крейсеры «Красный Кавказ» и «Красный Крым» приняли на борт: первый — 696 человек, второй — 709, эсминцы «Безупречный» — 105 человек и «Бойкий» — 107. Всего перевозилось 1617 человек (3-й морской полк).
Командующий эскадрой контр-адмирал Владимирский на эсминце «Фрунзе» вышел из Севастополя раньше, стремясь засветло встретиться с командованием Одесской базы, чтобы согласовать действия десанта. На подходе к Одессе эсминец неожиданно был атакован большой группой самолетов противника. Одна из бомб причинила кораблю сильное повреждение, и он начал тонуть. Немецкие летчики, непрерывно пикируя на поврежденный корабль, из пулеметов и пушек обстреливали палубу. Контр-адмирал Владимирский был ранен и снят с борта. Командующий Черноморским флотом, получив донесение о гибели эсминца «Фрунзе» и не имея сведений о судьбе контр-адмирала Владимирского, приказал командующему Одесским оборонительным районом назначить на его место контр-адмирала С. Г. Горшкова и операцию проводить в намеченный срок.
21 сентября в 22.00 десант благополучно подошел к берегу в районе Григорьевки. 22 сентября в 1.33 по сигналу флагмана началась высадка. Уже через 5 минут от кораблей отошли баркасы с морской пехотой. Эшелон за эшелоном войска быстро перебрасывались на берег. Через 2 часа 52 минуты высадка десанта была закончена полностью. Десантная операция оказалась неожиданной для неприятеля, и он не смог оказать никакого противодействия ее осуществлению.
Все корабли, не предназначенные для огневого сопровождения десанта на суше, немедленно отошли в свои бухты.
С рассветом эсминцы «Бойкий», «Беспощадный» и «Безупречный» открыли сильный артиллерийский огонь, имея целью подавить артиллерию и уничтожить живую силу противника. Тем временем авиация Черноморского флота нанесла бомбовые удары по районам Свердлово, Старая Дофиновка. В 6.15 над районом действий десанта появились истребители 69-го истребительного авиаполка, которые атаковали аэродромы неприятеля в районе севернее поселка Визирка. В результате атаки около 20 немецких самолетов сгорели и несколько было повреждено.
В 7.00 авиация Черноморского флота нанесла повторный удар по скоплению войск противника в районах: Александровна, высота 58,0, совхоз Ильичевка, Гильдендорф. Одновременно с высадкой морского десанта был сброшен на высоту 57,3 парашютный десант в количестве 23 человек, который начал действовать двумя группами, имея задачей посеять панику в тылу врага: первая группа уничтожила несколько линий проволочной связи противника, вторая — один из его командных пунктов. Выполнив свою задачу, парашютисты присоединились к десантным частям.
Под прикрытием огня корабельной артиллерии и авиации высадившийся десантный полк сразу же перешел в наступление в двух направлениях: 3-й батальон — Григорьевка, высота 48,2, Старая Дофиновка; 1-й батальон — Григорьевка, Чебанка, Новая Дофиновка; 2-й батальон наступал во втором эшелоне за 3-м батальоном.
Сломив сопротивление немецко-румынских частей в районе Чебанки и уничтожив при этом до 200 солдат противника, десантный морской полк захватил четырехорудийную 105-мм батарею противника и 22 сентября к 18.00 выполнил свою задачу, выйдя в район Чебанки, Старой Дофиновки, Новой Дофиновки. Потери десантного полка были небольшие, хотя они могли быть еще меньше, если бы морская пехота не пренебрегала уставными требованиями (моряки в большинстве случаев шли в полный рост, не применялись к местности и не самоокапывались). Многие моряки отлавливали коней румынской кавалерии и преследовали отступающих врагов верхом.
На рассвете советская авиация (19 самолетов И-16 и 3 самолета Ил-2) произвела внезапный налет на ближайшие аэродромы неприятеля. Несколькими заходами она уничтожила до 40 самолетов противника и сожгла 8 палаток, где размещался летный состав.