Одним из важнейших результатов всех этих операций явилось то, что советские войска заняли выгодное положение для окончательного разгрома немецко-фашистских группировок на южном крыле фронта и освобождения всей Правобережной Украины. Войска 1-го Украинского фронта, нависая с севера, получили возможность нанести глубокий охватывающий удар в направлении на Черновицы; 2-й Украинский фронт, завершив Корсунь-Шевченковскую операцию, мог развернуть наступление на Правобережной Украине; 3-й Украинский фронт к этому времени занял выгодное положение для наступления на Вознесенск, Тирасполь, Николаев и Одессу.

Практически за две недели до начала Крымской операции началась битва за Одессу. Эта наступательная операция войск 3-го Украинского фронта (командующий генерал армии РЛ. Малиновский) при содействии сил Черноморского флота (командующий вице-адмирал, с 10 апреля адмирал Ф.С. Октябрьский) проведена с 26 марта по 14 апреля. Цель операции — разгромить приморскую группировку противника между рр. Южный Буг и Днестр, освободить северо-западное побережье Черного моря с крупнейшим портом и г. Одесса и выйти на государственную границу СССР с Румынией.

После тяжелого поражения в Березнеговато-Снигиревской операции немецко-румынским войскам удалось отойти за Южный Буг и на этом рубеже остановить наступление 3-го Украинского фронта. На левом берегу Юж. Буга они удерживали г. Николаев. Однако стремительное наступление войск 2-го Украинского фронта в Уманско-Ботошанской операции, которые вышли на подступы к Яссам и Кишиневу, глубоко охватив с С.-З. приморскую группировку врага, вынудило германское командование перебросить часть сил с Юж. Буга на кишиневское направление. В этих условиях войскам 3-го Украинского фронта (57, 37, 46, 8-я гвардейская, 6-я, 5-я ударная, 28-я общевойсковые, 17-я воздушная армии, 4-й гв. мех. и 4-й гв. кав. корпуса, 23-й танковый корпус) было приказано после кратковременной подготовки 26 марта возобновить общее наступление, 3-му Украинского фронту противостояли войска 6-й немецкой и 3-й румынской армий группы армий «А» (с 5 апреля — «Южная Украина», командующий — генерал-фельдмаршал Э. Клейст, с 1 апреля — генерал-полковник Ф. Шернер). Замысел Одесской операции заключался в нанесении удара силами четырех общевойсковых армий (57, 37, 46 и 8-я гвардейская), конно-механизированной группы (КМГ) (4-й гв. мех. и 4-й гв. кав. корпуса) и 23-го танкового корпуса с Юж. Буга, в общем направлении на Раздельную, Тирасполь, с целью охватить с С.-З. группировку противника, действовавшую на побережье и в г. Одесса. Другой удар наносили 6-я, 5-я ударная и 28-я армии в общем направлении на Николаев, Одессу. Наступление войск фронта должны были поддерживать авиация и корабли Черноморского флота. Части морской пехоты привлекались для боевых действий за приморские города и порты. Задача разгрома противника между Юж. Бугом и Днестром решалась в тесном взаимодействии с армиями левого крыла 2-го Украинского фронта. Советские войска к началу наступления превосходили противника: в людях — в 1,3, в орудиях и минометах — в 4, в танках и САУ — в 2,7 раза, но уступали в 1,3 раза в боевых самолетах.

Перегруппировка войск и подготовка операции проводились в весеннюю распутицу, под проливными дождями, вконец испортившими дороги. 26 марта армии правого крыла и центра 3-го Украинского фронта после артподготовки приступили к форсированию Южного Буга и прорыву обороны противника на западном берегу. Левофланговые армии начали штурм Николаева. В результате 3-дневных ожесточенных боев 57-я и 37-я армии, используя успех левофланговых армий 2-го Украинского фронта, 28 марта прорвали оборону противника на правом берегу Юж. Буга на фронте до 45 км и в глубину до 25 км. В тот же день войска 5-й ударной и 28-й армий овладели Николаевом и форсировали Юж. Буг в его низовье. В боях за Николаев подвиг совершил десантный отряд сг. лейтенанта К.Ф. Ольшанского. Прорыв обороны на флангах приморской группировки противника и угроза выхода ей в тыл войск 2-го Украинского фронта вынудили командование начать поспешный отвод 6-й немецкой и 3-й румынской армий за р. Днестр. Командование 3-го Украинского фронта для развития успеха 57-й и 37-й армий перегруппировало с центрального направления на правое крыло КМГ и 23-й танковый корпус, которые, войдя 30—31 марта в сражение, совместно со стрелковыми соединениями окончательно сломили сопротивление противника и стали быстро продвигаться в направлении Раздельной. В то же время войска левого крыла фронта развивали наступление вдоль побережья на Одессу.

30 марта части 5-й ударной армии при содействии высаженного с моря десанта морской пехоты овладели г. Очаков. По отходившим войскам наносила массированные удары авиация 17-й воздушной армии и Черноморского флота. В связи с трудностями снабжения войск в условиях распутицы и бездорожья транспортная авиация в ходе операции доставила наступавшим войскам фронта по воздуху 330 т боеприпасов, горючего и других грузов.

4 апреля войска КМГ и 37-й армии овладели станцией Раздельная, расчленив группировку противника на две части. Войска противника, отходившие на Одессу, оказались под угрозой окружения. Для того чтобы отрезать им путь отхода за Днестр и нанести удар на Одессу с тыла, командование фронта повернуло КМГ из р-на Раздельная на Ю.-В. 7 апреля части КМГ вышли к Днестровскому лиману. К этому времени 8-я гв. и 6-я армии обходили Одессу с С.-З., а 5-я ударная армия наступала на город вдоль побережья (28-я армия 29 марта была выведена в резерв Ставки). Войска противника, отрезанные в р-не Одессы, 6 и 7 апреля предприняли попытку прорваться через Раздельную на Тирасполь. Ценой больших потерь часть их сумела пробиться через боевые порядки 37-й армии и отойти за Днестр.

В последующие дни отдельным частям противника удалось прорваться из р-на Одессы к переправе через Днестровский лиман. Попытки немецкого командования эвакуировать войска и материальные ценности из Одессы морем были сорваны авиацией фронта и Черноморского флота, торпедными катерами и подводными лодками, действовавшими на вражеских коммуникациях. Были потоплены 16 быстроходных десантных барж, 4 транспорта, 12 сторожевых и торпедных катеров и другие суда. Вечером 9 апреля части 5-й ударной армии (командующий генерал-лейтенант В.Д. Цветаев) с ходу ворвались в северные кварталы Одессы. Ночью к городу подошли войска 8-й гв. и 6-й армий и КМГ. В результате ожесточенных боев к 10 ч. 10 апреля Одесса была полностью освобождена советскими войсками. Вышедшие из одесских катакомб и укрытий навстречу войскам партизаны и подпольщики помогли очистить город от врага и спасти от разрушения его важнейшие сооружения. Продолжая преследование противника, 11—14 апреля войска фронта вышли к Днестру, освободили Тирасполь и, с ходу форсировав реку, захватили плацдармы, в т.ч. киц-канский плацдарм. На этом рубеже продвижение войск фронта было остановлено организованной обороной противника.

В результате Одесской операции войска 3-го Украинского фронта во взаимодействии со 2-м Украинским фронтом нанесли тяжелое поражение 6-й немецкой и 3-й румынской армиям. Продвинувшись на 180 км, советские войска освободили Николаевскую и Одесскую области и значительную часть Молдавской ССР. Были созданы условия для полного освобождения Молдавии, продвижения в глубь Румынии и на Балканы. Черноморский флот получил возможность перебазировать в северо-западный район бассейна Черного моря легкие силы флота и авиацию, что создавало угрозу изоляции с моря крымской группировки противника, уже блокированной советскими войсками с суши. Кстати, Одесская операция, как и начавшаяся почти синхронно Крымская, проведенная на приморском направлении, характерна дальнейшим совершенствованием организации взаимодействия сухопутных войск с силами флота. Воины Красной Армии показали примеры выносливости и воинского мастерства, проявили массовый героизм. Многие части и соединения, наиболее отличившиеся в боях, были награждены орденами и удостоены почетных наименований: Одесских — 27, Николаевских — 11, Раздельненских — 3, Очаковских — 1.