20 августа румынская 4-я армия, усиленная пятью дополнительными дивизиями, приступила к тотальному штурму города. На следующий день появился приказ Народного Комиссара ВМФ, в котором говорилось: «Усилить действия авиации в районе Одессы по войскам противника, временно прекратить бомбардировки кораблей, базирующихся на Сулину и Констанцу, за исключением случаев явного сосредоточения в них десантных средств». Таким образом, центр боевых действий 63-й бомбардировочной бригады ВВС ЧФ сместился к Одессе, где соединения Приморской армии ожесточенно сражались, стараясь удержать город. На бомбардировку противника днем были направлены самолета СБ, Пе-2 и ДБ-ЗФ, а ночью продолжали налеты на вражеские позиции тихоходные гидропланы ГСТ и МБР-2 из состава 80-й и 82-й отдельных эскадрилий. В свою очередь, активизировались немецкие и румынские самолеты, что способствовало увеличению числа воздушных поединков. «Сильный воздушный бой произошел 23 августа, — вспоминал А.Т. Череватенко из 69-го ИАП. — Группа в составе Елохина, Куницы, Королева, Маланова, Засалкина, Твеленева, Алелюхина и Череватенко вылетела на штурмовку войск противника в район Раздельной. Над целью нас встретили 11 истребителей PZL Р.24. Завязался бой, и в первой же атаке Куница и Королев сбили по одному самолету. Вскоре появились еще шесть истребителей Bf 109. Силы были слишком неравные, но мы продолжали сражаться. В конце концов количественный перевес дал о себе знать. Два «мессера» насели на лейтенанта Ивана Засалкина, зашли ему в хвост. И вот тут Иван, смелый и находчивый летчик, допустил ту самую ошибку, на которую когда-то указывал мне Шестаков. Он резко взял ручку на себя, свалился в штопор. С большим трудом выровнял машину, но при выходе из пикирования попал под огонь противника и был сбит.
В этом неравном бою и мне пришлось туго, и был момент, когда небо с овчинку показалось… Прошло много лет, а эта картина стоит у меня перед глазами. Преследую «мессера», он делает переворот, проваливается далеко вниз, потом резко выводит машину и идет на вертикаль. Я тем временем выбираю момент для атаки, а он увеличивает угол, пошел свечкой, берет меня на прицел. Ну, думаю, так долго не протянешь, свалишься, ухлопают тебя как куропатку. Но, видимо, летчик оказался опытный, ухитрился с большой дистанции дать по мне очередь. Слышу оглушающий треск, и вот уже кабина наполняется удушливыми парами, горючее побежало на ноги: снаряд пробил бензобак. Открываю «фонарь» и выхожу из боя. К счастью, высота есть, и я планирую в сторону своего аэродрома. Такая досада, оказаться в глупом, беспомощном положении. Бывает, конечно! Теперь уж хотя бы дотянуть любой ценой, добраться, спасти машину…
И тут вижу — за мной увязались двое, как видно, учуяли легкую добычу. Жму на всю железку, но не отстают пираты… Моим ангелом-хранителем оказался Алелюхин. Словно орел из поднебесья, налетел он на моих преследователей. Одного сбил с первой очереди, второй поспешил ретироваться. Я смог благополучно дотащиться до своего аэродрома».
Количество самолето-вылетов бомбардировщиков Черноморского флота для поддержки Приморской армии существенно возросло к концу августа. Например, 25 августа они совершили в район Одессы 80 самолето-вылетов, и еще 65 пришлось на долю 69-го ИАП. 126 самолето-вылетов для разведки и нанесения ударов по войскам противника на подступах к Одессе экипажи 63-й авиабригады сделали в течение 28–30 августа. По советским данным, регулярными бомбежками и штурмовками были основательно потрепаны 1-я кавалерийская, 13-я и 14-я румынские пехотные дивизии. На станции Выгода, в 30 км от Одессы, советские бомбардировщики сожгли три железнодорожных эшелона, а в воздушных боях за три последние дня месяца сбили 7 вражеских истребителей. Широкую известность получил бой, проведенный экипажем Николая Большакова из 40-го СБАП. Во время бомбардировки станции Выгода в Пе-2 Большакова угодил зенитный снаряд и причинил бомбардировщику значительные повреждения. Не закрылись бомболюки, и из-за этого самолет потерял скорость и отстал от основной группы. На одиночную «пешку» сразу набросились три истребителя противника, однако они были встречены метким огнем бортовых пулеметов. Первую победу одержал хвостовой стрелок Николай Панченко, затем второй истребитель сбил штурман Протасов, и третий «завалил» сам Большаков в лобовой атаке. Изрешеченный бомбардировщик приземлился на своем аэродроме.
В целом, так как самолеты 63-й БАБР действовали преимущественно без истребительного сопровождения, потери были достаточно велики. За август 2-й МТАП лишился 14 ДБ-ЗФ, а 40-й СБАП потерял 28 самолетов СБ и Пе-2.