Obramba Odessa je trajala od 8. avgusta do 16. oktobra 1941 v zgodnji fazi operacije Barbarossa - vdora držav osi v Sovjetsko zvezo med Druga svetovna vojna.
Zahvaljujoč močnemu uporu sovjetske 9. neodvisne vojske in hitro vzpostavljene ločene obalne vojske, ki jo je podprla Črnomorska flota, je bilo 73 dni obleganja in štirih napadov za zajemanje mesta s silami "osi", tako dolgo je trajala obramba Odessa. Datum 22. junij 1941 označuje vdor sil Sile v Sovjetsko zvezo. Avgusta je postala tarča 4. romunske vojske in enot 11. nemške vojske. Romunske sile so utrpele 93.000 žrtev, izgube Rdeče armade pa so ocenile na 41.000 do 60.000 ljudi.
27. julija 1941 je Hitler poslal pismo generalu Ionu Antonescuju, v katerem je priznal romunsko upravo na ozemlju med rekama Dnjestar in Bug. 17. julija je Romunska tretja vojska že prestopila Dnjester. Četrtič generalni poveljnik vojske Nicholas Chouperque je napredoval vzdolž reke 3. avgusta, peti korpus, sestavljen iz 15. pehotne divizije in prve konjske brigade, pa se je pridružil 1. oklepni diviziji. 8. avgust Romunski Generalštab izdala operativno direktivo št. 31, ki naroča četrti vojski, da zasede Odessa. Menilo se je, da se bo mestna posadka, ki ima kvantitativno prednost, hitro predala.
Mesto je bilo dobro utrjeno s tremi obrambnimi linijami in zaradi prisotnosti sovjetske črnomorske flote ni bilo mogoče povsem obkrožiti, zato se je začela obramba Odessa. Prva linija z dolžino 80 km je bila od mesta oddaljena 25-30 km. Druga in glavna obrambna linija sta od 6-8 km oddaljeni od mesta in dolga okoli 30 km. Tretja in zadnja obrambna linija je bila organizirana znotraj samega mesta. Sile, ki so bile prvotno vključene v utrdbo, so sestavljale 25. in 95. puško, 2. konjeniška divizija, 421. puška, 54. puška in NKVD. Rdeča armada je imela 34.500 moških in 240 topniških pušk. Zračno podporo so zagotovili dve eskadrili hidroplanov in ena eskadrila bombnikov. Kasneje so se branilcem pridružili še drugi borci, prav tako pa je bila tudi eskadrila Il-2.
10. avgusta je na območju 3. korpusa glavni del 7. pehotne divizije dosegel Alzacijo. V sektorju 5. korpusa je prva oklepna divizija prebila prvo obrambno linijo Odessa. Tisti večer je romunska enota dosegla drugo obrambno črto. Prva konjska brigada je prevzela Severinovko in se pridružila 1. oklepni diviziji. Istočasno je 10. Dorobanski polk ujel sovjetske čete na Lozovu. 4. armada je postopoma zaprla krog okoli Odese, toda 13. avgusta je Antonescu začasno ustavil ofenzivo, da bi okrepil črto zahodno od obale Khadzhibeyja.
Ofenziva se je nadaljevala 16. avgusta, ko so romunski vojaki napadli celotno progo in 17. avgusta ujeli Odessa. Sovjetske čete so se uporno uprle, ponavljale so se ponavljajoče se protipostavke in so trpele velike izgube. Kraljeve romunske zračne sile so aktivno podpirale kopenske sile kršenje sovjetskih mornarskih sil v in iz Odese ter uničenje oklepnega vlaka 20. avgusta.
V noči 8. avgusta so romunski motorni torpedni čolni napadli sovjetski konvoji za prevoz oskrbe (lahka križarka Kominterna, dva uničevalca, štiri kanonarji, štirideset motornih torpednih čolnov in sedem pomožnih vlečnih mrež) južno od Odese, ki so poškodovali enega borca. To je bilo eno od redkih dejanj, ki jih je romunska flota sprejela v podporo obleganju.
Do 24. avgusta so Romuni kljub nenehnim napadom utonili pred glavno obrambno linijo Sovjetov. Četrta vojska je že utrpela 27.307 žrtev, od tega 5.329 ubitih v bitki. Kljub temu so bili Sovjeti tudi oslabljeni in zahvaljujoč ujetju Kubanke je romunska težka topništvo ogrozilo pristanišče Odessa. Naslednja tri dni je prišlo do zatišja v bitki.
28. avgusta so Romuni nadaljevali ofenzivo, ki so jo okrepili nemški jurišni bataljon in deset težkih topniških bataljonov. 4., 11. in 1. armijski korpus so napredovali v smeri Gnilyakovo in Vakarzhany, naslednji dan pa so jih na nekaterih območjih vrgli močni sovjetski protinapad. 30. avgusta so Romuni ponovno prevzeli pobudo, vendar so prejeli zelo malo koristi. Hitler in nemško poveljstvo sta ugotovila, da je Antonescu uporabil taktiko prve svetovne vojne v Odesi. Sovjeti so začasno zavzeli Kubanko, vendar so jih zvečer vrgli nazaj. Sovjetske čete v Vakarzhanyju so bile obkrožene in se še naprej borile do 3. septembra, ko je združena nemška in romunska pehota uspešno napadla vas, vendar je obramba Odessa stala.
General Chuperka je 3. septembra predstavil svoje spomine maršalu Antonescuu, pri čemer je poudaril slabo stanje frontnih oddelkov, ki so bili izčrpani po skoraj enem mesecu neprekinjenih sovražnosti, ki jih je pomagala obramba Odessa. Predlagal je reorganizacijo šestih divizij (3., 6., 7., 14., 21. pehotne in stražarske divizije), ki bodo razdeljene na 2 korpusa in jih bo podpiralo 8 težkih topniških bataljonov.
Te enote nato napadajo na istem območju, da bi prebile sovjetsko linijo. Vendar so predlog zavrnili Antonescu in načelnik romunskega generalštaba brigadni general Alexander Ioanita, ki je trdil, da bi napad v eni smeri lahko pripeljal do dejstva, da bi bil preostali del romunske črte preveč odprt.
Maršal Antonescu je kasneje izdal novo direktivo, ki je zahtevala napade med Tatarko in Dalnikom, pa tudi Gnilyakovo in Dalnika, ki naj bi jih izvedel 11. in 3. korpus. Ioanita je poslal pismo vodji nemške vojaške misije v Romuniji generalmajorju Arturu Gaufu, v katerem je poročal o razmerah v Odesi in zaprosil za pomoč v obliki letal in več pionirskih bataljonov. Čeprav so se romunske zračne sile zelo uspešno borile proti zemeljskim in zračnim silam Sovjetov, so bile slabo opremljene za protiletalske napade, Sovjeti pa so bili stalno ojačani in oskrbovani z mornarico.
To je nadaljevalo obrambo Odese leta 1941, medtem ko je bila v tem času romunska ofenziva ustavljena do okrepitve. Nemški odred je prispel pod poveljstvom generalpodpolkovnika Rene von Courbierja, sestavljenega iz enega pehotnega polka, enega napadalnega pionirskega polka in dveh topniških polkov. Hkrati so Sovjeti prejeli tudi 15.000 ljudi in strelivo. 9. septembra je bil namesto Chuperke imenovan generalpodpolkovnik Iosif Yakobich, ki mu je bilo neposredno naloženo, da brezpogojno sledi navodilom generalštaba. Ofenziva se je nadaljevala 12. septembra, vendar je bila 14. septembra ponovno začasno prekinjena, saj so romunske in nemške topniške enote izčrpale svoje zaloge streliva. Oba bataljona Vynethorja sta bila obkrožena z enotami Rdeče armade v bližini banke Khadzhibey, vendar sta bili na koncu osvobojeni kljub poskusom, da jih je Sovjetska zveza uničila.
V noči s 15. septembrom so sovjetske enote prenehale stike z romunskim 1. korpusom in se umaknile na jugovzhod. 16. septembra je 1. korpus šel severozahodno od Gross Libental. Romunske enote so zasedle tudi ozemlje južno od ustja Sukhoy. Več kot 3.000 sovjetskih vojakov je bilo ujetih, vendar je te izgube nadomestila 157. puška z 12.600 vojaki. Poleg tega je bilo 18 sovjetskih podjetij pripeljanih iz Novorossiyska. V mestnih katakombah so se nadaljevali partizanski spopadi.
Z napredovanjem sil Sile v Sovjetsko zvezo se je vrhovni štab odločil, da evakuira zagrebške zagovornike. V noči s 14. na 15. oktober 1941 je Črnomorska flota evakuirala posadko v Sevastopol, kjer je bila večina enot uničena med hudimi spopadi, ki so se tam odvijale med obrambo Sevastopolja. Črnomorski floti je uspelo evakuirati 350.000 vojakov in civilistov.
V bitki se je udeležila najboljša ženska ostrostrelka Lyudmila Pavlichenko, ki je kasneje prejela medaljo za obrambo Odessa. Njena prva dva umora sta bila storjena v bližini Belyaevke. Med obrambo Odessa, je storila 187 potrjenih umorov. Skupno število Pavlichenko, ubitih med drugo svetovno vojno, je bilo 309 (vključno s 36 ostrostrelci).
Operacije v Odesi so razkrile pomembne pomanjkljivosti v romunski vojski, tako da so vojaški in politični voditelji države pozvali k prenehanju vojaških operacij proti Sovjetski zvezi. S takimi rezultati za "os" končal obrambo Odessa v 1941-1942.