Odesa ble sterkt skadet under andre verdenskrig. Odessamassakren pågikk 22.–25. oktober 1941; anslagene på antall drepte varierer fra , , og til og med opp til . Byen var deretter hovedstad i det rumensk-styrte Transnistria-guvernementet til dette ble omgjort til «militærguvernementet mellom Dnestr og Bug» 29. januar 1944: Byen ble gjenerobret av Den røde armé 10. april 1944.