Сформирована 14 февраля 1940 года с границами операционной зоны от озеро Устричное до устья Дуная (исключая Вилково), в свой состав включала всю береговую артиллерию Северо-Западного укреплённого района и Очаковский укреплённый сектор. На Одесскую ВМБ базировались лёгкий крейсер «Коминтерн» и канонерские лодки «Красный Аджаристан», «Красная Армения» и «Красная Грузия», корабли охраны водного района: минный заградитель «Лукомский», 2 тральщика, 4 сторожевых катера и 17 малых охотников типа МО-4. Командиру базы также была оперативно подчинена 2-я бригада торпедных катеров в составе 28 вымпелов, базировавшаяся на Очаков. К началу Великой Отечественной войны в состав обороны базы входили надводные корабли, береговая артиллерия (44 орудия калибра от 45 до 203 мм), оборонительные минные заграждения и средства заграждения входа в порт. После начала войны на подходах к Одессе было поставлено оборонительное минное заграждение (1672 морские мины и 479 минных защитников), которое в сочетании с береговой артиллерией представляло мощную минно-артиллерийскую позицию. ПВО базы обеспечивала истребительная авиация и зенитная артиллерия. Недостаточно обеспеченной являлась оборона базы с суши. Силы Одесской военно-морской базы сыграли свою роль как сдерживающий фактор в срыве наступления германских войск, недопущении вторжения со стороны моря, всестороннем обеспечении как сил флота, так и отдельных флотских и сухопутных частей, а также в эвакуации соединений и частей Одесского оборонительного района 16 октября 1941 года. После проведения эвакуации база 20 ноября 1941 года была расформирована.