С материка город защищала Приморская армия, с моря — корабли Черноморского флота, поддерживаемые береговой артиллерией. Войска противника численностью превосходили защитников Одессы в пять раз.

Первый штурм Одессы румынскими и немецкими войсками был осуществлён 20 августа 1941 года. Наступление 17 дивизий и 7 бригад противника было остановлено советскими войсками в 10—14 км от городских рубежей. Ежедневно 10—12 тыс. женщин и подростков выходили на заградительные работы: они рыли окопы, натягивали проволочные заграждения. За время обороны одесситы установили 40 тыс. мин, вырыли более 250 км противотанковых рвов, соорудили более 250 заградительных баррикад на улицах города. Подростки, работавшие на заводах и фабриках, изготовили около 300 тыс. ручных гранат и столько же противотанковых и противопехотных мин. Почти 38 тыс. одесситов ушли в старые катакомбы, чтобы принять участие в обороне родного города.

В конце сентября Ставка Верховного Главнокомандования перебросила войска, оборонявшие Одессу, на защиту Крымского полуострова. С одесского побережья в Крым по морю скрытно переправили 86 тыс. солдат и 15 тыс. жителей Одессы, а также большую часть оборонительной техники. Защитники Одессы на 73 дня задержали армию врага. Наступающие потеряли более 160 тыс. солдат, защитники города уничтожили 200 самолётов и 100 танков противника.
Но 16 октября 1941 года город всё же был взят. Однако одесситы не сдались — началась партизанская борьба. Одесскими партизанами было уничтожено 5 тыс. солдат и офицеров противника, пущено под откос 27 вражеских эшелонов с военной техникой, взорвано 248 машин.

Одесса была освобождена 10 апреля 1944 года, а 1 мая 1945 года в приказе Верховного Главнокомандующего она впервые названа городом‑героем. Официально звание города‑героя было присвоено Одессе в 1965 году.

Множество памятников и мемориалов Одессы посвящено событиям тех героических лет. На площади «10 апреля» установлена стела «Крылья Победы» — символ Одессы. Монумент выполнен в виде крыла чайки, увенчанного «Золотой Звездой» города‑героя. В честь бойцов партизанского движения в пригороде Одессы создан мемориальный комплекс «Катакомбы». Экспозиция включает памятник «Народные мстители» в селе Нерубайское и Музей партизанской славы, расположенный в одесских катакомбах. Скульптурная композиция «Народные мстители» изображает группу партизан, выбравшихся из катакомб на боевую операцию.