Luptele pentru cucerirea Odessei au loc după eliberarea Basarabiei şi a Bucovinei de Nord. Hitler l-a convins pe mareşalul Ion Antonescu să continue operaţiunile împotriva Uniunii Sovietice. Politicienii şi Regele Mihai însă i-au cerut să nu treacă Nistrul.
Odessa, cel mai mare port sovietic din bazinul vestic al Mării Negre, era aproape de Nistru. Acolo a fost cea mai mare operaţiune ofensivă a Armatei Romane din timpul războiului. Bătălia a durat din august până în octombrie 1941.
Sovieticii aveau 3 linii de apărare, dar trupele române s-au impus în aer şi pe mare.
Aviaţia care era foarte bine înzestrată a copleşit liniile aeriene sovietice. Ca să nu dea satisfacţia unui triumf, sovieticii s-au retras în noaptea de 14 spre 15 octombrie. Pierderile românilor au fost însă imense.
În luptă au fost angajate 650 de avioane, două vedete rapide şi un submarin. S-au consumat 70.000.000 de cartuşe, 26.000 grenade şi 830.000 proiectile de artilerie.
La o săptămână după ocuparea oraşului a fost aruncat în aer comandamentul trupelor române din Odessa. Fusese sediu NKVD. Românii au căzut în cursă, deşi un localnic i-a avertizat că bolşevicii minasera clădirea. Au murit 135 de militari români şi germani, cei mai mulţi ofiţeri.
Mareşalul Antonescu a ordonat represalii în rândul civilor, militarii români nu au reuşit însă să-i prindă pe autorii atentatului. Au fost ucişi, la întâmplare, 5 000 de localnici civili, majoritatea evrei. Au fost şi unele violuri.
Antonescu ar fi cerut execuţii în masă: câte 200 de comunişti pentru fiecare ofiţer român sau german ucis în explozie, şi câte 100 de pentru fiecare soldat. În plus, ar fi cerut şi executarea evreilor din Basarabia, refugiaţi la Odessa. Zecii de mii de evrei au fost escortaţi de militari români la Dalnic, lângă Odessa, şi înghesuiţi în hambare.
Hambarele au fost mitraliate, apoi incendiate. Unul dintre hambare a fost aruncat în aer la aceeaşi oră la care explodase clădirea comandamentului militar: 17.45. Mulţi ofiţeri şi soldaţi au executat ordinul cu lacrimi în ochi, alţii s-au eschivat.
Unele surse istorice afirmă că, în perioada 22 – 24 octombrie 1941, au fost uciși peste 20.000 de civili din oraşul Odessa, împuşcaţi, spânzuraţi, explodaţi, sau arşi de vii. Alţi aproximativ 45.000 de evrei au fost trimişi de la Odessa în lagărul de concentrare Bogdanovca, unde au murit aproximativ două luni mai târziu.
În 1946, la Tribunalul Poporului din Bucureşti, unul dintre capetele de acuzare împotriva lui Ion Antonescu a fost masacrul de la Odessa. A fost condamnat la moarte şi executat la 1 iulie 1946, la Jilava.