В результате больших потерь в командном составе 95-я стрелковая дивизия стала терять устойчивость в бою. Частям введенных в бой 5-й и 7-й пехотных румынских дивизий удалось занять южнее ж/д хутора Октябрьский и Важный — ключевые позиции на одесском направлении. По распоряжению командующего Приморской армией на этот участок был переброшен резерв — 7-й кавалерийский полк (800 человек на автомашинах). Усилив этот резерв разведбатом и батареей противотанковой артиллерии из состава 95 сд, командование соединения организовало контрудар по флангу и тылу противника и снова заняло ранее оставленные позиции. Были захвачены пленные, оружие, радиостанция. Но командир 161-го стрелкового полка Сысоев не сумел реализовать и закрепить успех. Переданные ему огнеметы не были установлены на огневых позициях, и он доложил, что не знает, что с ними делать, так как они стреляют всего на 40 метров. Он не смог даже использовать направленное ему пополнение — более 500 человек.

Для разгрома противника, вклинившегося на участке 161 сп, было направлено лучшее подразделение 95 сд — разведбатальон лейтенанта Долгого и две зенитно-пулеметные установки ГАЗ-АА со счетверенными 7,62-мм пулеметами системы Максима под командованием офицера штаба дивизии старшего лейтенанта И. П. Дацко. Этот батальон смело и решительно атаковал противника во фланг, огнем ЗПУ прижал его к земле так, что румыны до ночи не могли высунуться из кукурузы. Впоследствии, когда лейтенант Долгий, командир разведбата, умер в госпитале Одессы от ран (трижды раненный, он продолжал управлять боем и только после четвертого ранения был эвакуирован), весь батальон по приказу командира 95 сд был выведен из боя и на машинах отправлен в Одессу, чтобы бойцы могли отдать последний долг своему боевому командиру.

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).