在敌人的强大压力下，驻守敖德萨的红军部队也开始想办法增强力量，开始组建敖德萨民兵部队。这得到了当地居民的积极响应，仅仅一周内就有五万五千市民参加了城市保卫战，其中有三万人直接编入了作战部队！
9月13日，防区军.事委员会向红军军.委报告了局势状况，并请求增援。李晓峰亲自回电：“请向保卫敖德萨的指战员转达军.委的请求，各条战线上的形势都比较严峻，在短期内（一个星期至半个月）暂时无法派遣更多的地面部队去增援你们。军.委只能尽可能的提供海上和空中的力量去增援你们，盼望你们继续坚持，撑过这段艰苦的时光……”
这也是没办法，因为当时图哈切夫斯基正在搜刮一切力量准备投入反攻，为了满足这位总.参谋长的需求，敖德萨自然是顾不上了。李晓峰唯一能做的就是命令红旗黑海舰队不惜一切代价增援敖德萨，很快红旗黑海舰队的所有战列舰、巡洋舰全部开往敖德萨，用最猛烈的火力打击不断向城内进攻的罗马尼亚军队。在短短的十几天内，战列舰和巡洋舰就将所有的炮管都打秃了，不得不陆续返回尼古拉耶夫和塞瓦斯托波尔更换身管。
在猛烈的炮火支援下，滨海集团军又咬牙硬撑了20天，直到10月3日，在李晓峰的一再催促下，刚刚从中亚赶回来的第157步兵师（约一万两千人）从新罗西斯克登船直接运往敖德萨，后续跟进的还有一个炮兵团和一个火箭炮营。
援军的赶到使敖德萨的形势有所改善，但是东部防区的形势依然很严峻。为此，茹科夫海军少将决定组织第421和第157步兵师进行反击。为配合行动，海军陆战队第三团也在敌人侧后的格里戈里耶夫卡登陆并在西茨利地区实施空降。
10月5日，黑海舰队出动红色罗斯托夫和红色卢甘斯克号以及另外四艘驱逐舰掩护海军陆战队第3团1929人（该团下属三个陆战营和一个迫击炮连）在格里戈里耶夫卡登陆。
当天中午13时30分，运载登陆部队的舰艇从塞瓦斯托波尔起航，15时，驱逐舰顽强号被大群德国战机围攻，严重破损，不得不冲滩搁浅。不过顽强号不愧于她的名称，哪怕是抢滩搁浅了，也集中一切火力去支援登陆部队，一度用近距离火力支援打得罗马尼亚人抬不起头来。
下午17时，登陆成功。首批登陆部队成功的收复了格里戈里耶夫卡，并为后续部队扫清了道路。第二天凌晨二时，登陆的主力部队全部上岸，然后立刻马不停蹄地向敌人发动了攻击。与此同时东部防御区的两个步兵师也立刻投入反击，激战至10月7日，登陆部队和反击部队成功会师。这一次成功的海陆空联合作战击退了压迫东部防御区的罗马尼亚军队，拓展了防区，为敖德萨继续坚持抵抗注入了强心剂。
尤其值得一提的是那艘被迫抢滩登陆的顽强号驱逐舰，该舰搁浅后，一面用8门130毫米舰炮支援战斗，另一面在紧张抢修堵漏的同时还组织了一个战斗小队携带轻武器同海军陆战队一起作战。在胜利的收复了格里戈里耶夫卡之后，在友舰的帮助下利用涨潮的机会，该舰顺利地脱困。在战后该舰被授予红旗勋章。
此次作战中，红军重创了罗马尼亚第13和第15步兵师，歼敌两千人，缴获火炮50门，机枪127挺、步枪1100支，而登陆部队仅阵亡29人受伤407人。此外舰队航空兵还击落了20架德军和罗马尼亚飞机，另外炸毁12架。这是战争期间黑海舰队、陆军、航空兵协同作战的第一个成功战例。
德国历史学家弗雷德里希.弗斯特梅尔评论道：“在敖德萨陆军的配合下，登陆部队将罗马尼亚步兵第13和第15师击退五到八公里，使战线恢复到8月份的状态……这给了罗马尼亚军队沉重的打击，在这以后，似乎只有德军还在试图继续攻克该城，而罗马尼亚元帅安东尼斯库则命令他的部队停止进攻转入防御。俄国将领们应该感到满意，他们的防御部队能够依靠自身的力量改变不利的态势，有效的抵抗德军和罗马尼亚军队的进攻，尽管对方拥有16万人的兵力优势，而守军仅有五个残破的步兵师……”
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