Chiến dịch tấn công hữu ngạn Dniepr
Diễn biến > Giai đoạn thứ hai > Chiến dịch tấn công Odessa

Bài chi tiết: Chiến dịch tấn công Odessa
Ngày 19 tháng 3, Nguyên soái A. M. Vasilevsky và đại tướng R. Ya. Malinovsky gửi kế hoạch tấn công Odessa về Đại bản doanh kèm theo đề nghị bổ sung xe tăng, xe kéo pháo và máy bay tiêm kích. Đại bản doanh Liên Xô đồng ý tăng cường cho Quân đoàn xe tăng 23 một cụm mô tô cơ giới, có thể hoạt động tốt trên các địa hình lầy lội. 300 xe tăng cũng được điều động bổ sung cho Quân đoàn xe tăng 23, Cụm kỵ binh cơ giới của tướng Plyev, Tập đoàn quân xung kích 5 và Tập đoàn quân cận vệ 8. Tuy nhiên, những phương tiện đó không thể đến ngay cùng một lúc do các đường giao thông bị lầy lội nghiêm trọng. Chỉ một tuần sau, Phương diện quân Ukraina 3 mới tập trung đủ lực lượng để tấn công.
Mở đầu chiến dịch giải phóng Odessa chưa phải là các hoạt động trên bộ mà là trận đột kích của Hải quân đánh bộ Liên Xô. Phối hợp với Phương diện quân Ukraina 3 theo kế hoạch cũ, đêm 26 tháng 3, Hạm đội Biển Đen đã điều động tiểu đoàn hải quân đánh bộ 384, sử dụng 7 tàu vận tải nhẹ (loại pha sông biển) do ngư dân A. N. Andreyev cùng 54 người tình nguyện khác điều khiển mở cuộc đổ bộ vào Odessa. Xuất phát từ Nikolayev, họ đột nhập vào vịnh Odessa (phía Bắc thành phố) và đổ bộ lên bờ vịnh. Tưởng rằng chủ lực quân đội Liên Xô tấn công từ phía biển, tướng Ernst-Eberhard Hell điều đến khu vực chiến sự một sư đoàn bộ binh. Ngày 27 và 28 tháng 3, đã diễn ra trận đánh khốc liệt giữa sư đoàn bộ binh 153 (Đức) và tiểu đoàn hải quân đánh bộ 55 (Liên Xô). Tiểu đoàn cố trụ lại chờ chủ lực của Tập đoàn quân 28 kéo đến nhưng đến đêm 28 tháng 3, trong tay họ không còn đạn dược dự trữ, quân số vơi dần chỉ còn non một đại đội. 55 ngư dân tình nguyện cũng lần lượt ngã xuống. Những người còn lại sử dụng những chiếc xuồng chưa bị đánh chìm rút ra biển và thoát về Nikolayev.
Ngày 25 tháng 3, các tập đoàn quân Liên Xô bắt đầu trinh sát chiến đấu và thiết lập các đầu cầu vượt sông Nam Bug. Ngày 26 tháng 3, từ Konstantinovka và Voznesensk, Quân đoàn xe tăng 23 và Cụm kị binh cơ giới Plyev vượt sông, mở đường cho Tập đoàn quân 57 và tập đoàn quân 37 đột phá sang phía Tây. Từ Novaya (???), Tập đoàn quân cận vệ 8 và Tập đoàn quân 46 vượt sông Nam Bug đánh chiếm nhà ga Berezovka, cắt đứt đường sắt Odessa - Pervomaisk và đổi hướng về phía Nam, dồn quân Đức vào khu đầm lầy giữa cửa sông Dniestr và các vịnh lầy phía Đông Odessa. Từ phía Đông Nikolayev, các tập đoàn quân 6 và xung kích 5 tấn công Nikolayev và thực hiện các đòn đánh chia cắt qua các vịnh lầy, Tập đoàn quân 28 đánh chiếm Ochakov, tiến dọc bờ biển về Odessa. Ngày 27 tháng 3, Tập đoàn quân xung kích 5 chiếm Nikolayev.
Ngày 28 tháng 3, Quân đoàn xe tăng 23 và cụm kỵ binh cơ giới đã tiến xa sang phía Tây, tiếp cận sông Dniestr và bắt đầu vòng xuống phía Nam, cắt đứt tuyến đường sắt Odessa - Kishinev ở Rozdilna. Ngày 31 tháng 3, Quân đoàn bộ binh 44 (Đức) mở cuộc phản kích vào Quân đoàn cơ giới cận vệ 4 (Liên Xô) ở thung lũng Kutsugan, gây thiệt hại nặng cho quân đoàn này, giết chết tướng T. I. Tanastsisin, tư lệnh quân đoàn. Ngày 2 tháng 4, Tập đoàn quân cận vệ số 8 của Vasili Chuikov và Tập đoàn quân số 46 mở đợt tấn công trong trận bão tuyết. Đến ngày 6 tháng 4, Quân đội Liên Xô đã đẩy quân Đức lùi xa sông Dniestr về phía Tây và cô lập Odessa. Dù cố gắng đột phá vào Kutsugan nhưng quân Đức cũng không đến được biên giới Romania trên hướng này. Ngày 8 tháng 4, Quân đoàn xe tăng 23 đánh chiếm Tiraspol chặn đứng con đường rút lui cuối cùng của quân Đức ở Odessa bằng đường sắt. Cụm kỵ binh cơ giới Plyev cũng đánh chiếm thị trấn Belayevka gần cửa sông Dniestr. Ngày 9 tháng 4, những đơn vị quân Đức và Romania còn lại ở Odessa bắt đầu kéo xuống tàu vận tải chạy trốn sang Romania. Những chiếc phà qua vịnh Ovidyopol sang Akkeman (Romania) chật cứng quân Đức, Romania và các loại xe con, xe ngựa. Cùng ngày, Tập đoàn quân xung kích 5 (Liên Xô) đột nhập và Odessa. Ngày 10 tháng 4, Odessa hoàn toàn nằm trong tay Quân đội Liên Xô. Số quân Đức còn tại Odessa hạ vũ khí đầu hàng. Ngày 14 tháng 4, các tập đoàn quân 28, 37, 46, 57 và Tập đoàn quân xung kích 5 đã có mặt trận tả ngạn sông Dniestr từ Tiraspol đến Ovidyopol, đối diện với Tập đoàn quân 3 Romania bên kia sông. Tập đoàn quân cận vệ được rút khỏi biên chế Phương diện quân Ukraina 3 và điều về Phương diện quân Byelorussia 1.
Theo các tài liệu Liên Xô thì tính từ ngày 25 tháng 3 đến 12 tháng 4 quân phát xít Đức và Romania đã tử trận 26.800 người, quân Đức bị bắt 10.680 người và mất 443 xe tăng.