После освобождения центральных и южных частей Бессарабии самой важной операцией румынских войск на Восточном фронте была кампания 4-ой румынской армии по завоеванию Одессы, развернувшаяся с 8 августа по 16 октября 1941 года. С военной точки зрения, стратегическое значение битвы за Одессу сложно переоценить. Город представлял собой основную базу врага для ведения наземных, морских и воздушных операций, располагаясь лишь в 150 км от дельты Дуная, в 300 км от моста в Чернаводе и в 400 км от Бухареста и нефтяных месторождений. Советские войска из этой точки легко могли свести на нет все победы румынской и немецкой армий, одержанные ими ранее. «Удовольствоваться простой осадой Одессы, - говорил генерал Раду Р. Россетти, - означает оставить у себя в боку занозу. Так мы предоставим русским возможность собрать по морю свои многочисленные силы и атаковать нас в подходящий для себя момент». По требованию генерала Антонеску, в битве под Одессой в основном участвовали румынские войска. «Его поведение, - комментирует немецкий историк, - отражало оптимизм, который, несмотря на огромные потери, которые румынская армия понесла в первые два дня наступления, сохранился у ее руководства. Они верили в победу над русскими под Одессой. Только в последующие дни битвы, в отсутствие положительных результатов, надежды румын угасли».
Наступление началось 8 августа 1941 года. До 11 августа румынские силы блокировали отступление советских войск на север и восток. Сопротивление врага оказалось чрезвычайно свирепым, даже во время возобновления наступления 18 августа. Из-за того, что продвижение 4-ой армии было приостановлено советским сопротивлением, генерал Ион Георге, румынский военный атташе в Берлине, уже говорит об «определенной нервозности», которая заставила его переместиться в первой половине августа 1941 года в Яссы, где располагался генеральный штаб Антонеску и сообщить о «недовольстве» в рядах высокого руководства немецкой армии. Кондукэтор Румынского государства не удивился, выразив «собственное неудовольствие ходом операций».
Несмотря на то, что обсуждение с генералом пехоты Артуром Гауффе вопроса о предоставлении военной помощи в виде артиллерийских полков шло весьма интенсивно, 4-ая армия, не дожидаясь немецких войск, 23 и 24 августа развернула наступление на южном и северном флангах, однако результаты оказались минимальными. Атака была возобновлена 28 августа, но и ее результаты вызвали недовольство немецких отрядов. Более того, 2 сентября советские войска контратаковали, проникнув в расположение 8-ой пехотной дивизии. Эффективность сотрудничества румынских и немецких войск стала заметна, только начиная с 3 сентября, когда к румынским отрядам присоединился немецкий 70-ый батальон. При этом Ион Антонеску настаивал на том, чтобы в помощь румынской армии была прислана немецкая авиация и пять батальонов. Осознавая всю важность завоевания Одессы, немецкое руководство предоставило в распоряжение полковника Курбире, который подчинялся маршалу Антонеску, свежие немецкие силы.
Гауффе: «Несмотря на все приготовления, мы не могли сделать последнее усилие и победить»
После тяжелых боев и частых атак румынско-немецкой армии удалось к 6 сентября достичь основных позиций сопротивления. 12 сентября румынские войска, при поддержке немецкой артиллерии, перешли в атаку, обратив в бегство вражеские войска. Наступление, в котором приняли участие войска 1 и 11 корпусов румынской армии, 1 и 2 батальоны 123 пехотного полка, 2 батальон 121 пехотного полка, руководство 601 полка и 70 и 71 батальоны немецкой армии, продолжилось до 17 сентября. Однако недостаточное координирование действий и сильное сопротивление врага привели к тому, что атака не удалась. Более того, советское командование провело в ночь с 21 на 22 сентября 1941 года высадку с моря и с воздуха, в результате чего войска 5-го корпуса были вынуждены отступить на 10 – 13 км. Под впечатлением от советской контратаки, Ион Антонеску отложил возобновление наступления на Одессу, что вызвало недовольство полковника Курбире, который намеревался атаковать запад Одессы силами с Южного фронта.
Проанализировав ситуацию, 24 сентября генерал Артур Гауффе, который в этот же день был награжден орденом «Михай Витязул» второго класса, выразил сожаление по поводу того, что «несмотря на все приготовления, мы не могли сделать последнее усилие и победить». Однако Ион Антонеску остался непоколебим в своем решении, заявив, что не возобновит атаки до тех пор, пока не появится «серьезная поддежка от немцев». Поведение румынского командования разочаровало высшее командование Германии, и генерал Гауффе был вызван 26 сентября 1941 года к генералу Гальдеру в Генеральный штаб Сухопутных войск, располагавшийся в восточной Пруссии. Там Гауффе выступил в защиту румынского командования и Иона Антонеску. Для координирования финального штурма Одессы 1 октября 1941 года в поезде командования «Родина» состоялась встреча маршала Иона Антонеску и генерала Артура Гауффе, после которой, 5 октября, Гитлер направил Антонеску письмо, где сообщал о своем решении предоставить в распоряжение одесского фронта «больше тяжелой артиллерии, в зависимости от ситуации, а также дивизию пехоты»