而基于政治上的考虑，希特勒决定将由罗马尼亚军队来夺取敖德萨。此前，罗马尼亚已经从苏联手中抢回了布科维纳和比萨拉比亚。而接下来是否还要继续和俄国人打下去，在罗马尼亚国内也有争议。所以希特勒需要让罗马尼亚多掠夺一些苏联的地盘作为报酬。
8月8日，罗马尼亚统帅部下达进攻敖德萨的第31号命令。8月13日，奉命夺取敖德萨的罗马尼亚第4集团军完成了对该城的包围。不同于和德国人一起行动的罗第3集团军，罗第4集团军在邱佩尔克将军指挥下沿着黑海沿岸独立进军。罗马尼亚独裁者安东奈斯库希望他们能独自打下敖德萨，向世界宣扬罗马尼亚陆军的厉害，为此可以不惜血本。
此前的8月10日，罗第4集团军拥有12个师7个旅，兵力约20万人。8月20日前又增加了5个师。总计投入了17个步兵师、1个装甲师、3个骑兵旅、1个要塞旅[44]。
配合罗军的航空部队包括罗马尼亚空军第1、2、4、5、6轰炸机大队，第4、6、7、8战斗机大队，德国空军第4航空队还向该方向投入了第27、51轰炸航空联队，第77战斗航空联队第2大队。德罗航空部队对苏军居于绝对优势。
罗马尼亚人最初想直接闯进敖德萨，但都被打了出去。他们只好停下来作一番认真准备，花了几天时间夺取出发阵地。8月20日，在邱佩尔克将军指挥下，罗马尼亚第4集团军猛攻敖德萨。对敖德萨东面的冲击最为猛烈。当天，配合陆军作战的罗马尼亚空军出动了118个架次，投弹78吨。但俄国人的抵抗意志仍很坚强。
经过一周恶战，罗军死伤惨重，却只取得很小进展。不过到8月27日，罗军可以用集团军属、军属火炮轰击城内以及港口内的舰艇。但他们还是无法拿下敖德萨，伤亡却大到无法忍受，前进的每一米土地都被鲜血浸染，付出的死伤往往是苏军的几倍。罗马尼亚指挥官的意志崩溃了！9月4日，邱佩尔克向安东奈斯库报告说他的步兵要打光了。五天后他被解职，改由扎科比奇中将指挥罗第4集团军。德国人也派来特种营支援。