В начале сентября 1941 года «Анастас Микоян» приказом командующего Черноморским флотом был включён в отряд кораблей Северо-Западного района Чёрного моря, который предназначался для оказания огневой поддержки защитникам Одессы. Неоднократно обстреливал вражеские позиции (подавил две дальнобойные батареи), помогал отбивать атаки пехоты и танков противника, обеспечивал артиллерийское прикрытие морской пехоте в десанте под Григорьевкой. Получил благодарность командования Одесского оборонительного района. Постоянно подвергаясь атакам авиации (в том числе торпедоносцев), экипаж корабля отработал навыки зенитного огня (сбил несколько самолётов), быстрого маневрирования, уклонения от торпед. Несмотря на небольшую, по сравнению с крейсерами, лидерами и эсминцами, скорость хода, корабль, действуя под Одессой, не получил ни одного прямого попадания авиабомбы, торпеды или снаряда и не потерял ни одного человека. Повреждения механизмов от сотрясения вследствие близких разрывов, частого форсирования и перемены ходов бывшие судоремонтники устраняли, не покидая боевой позиции; часть работ проводили в Севастополе.