421-я стрелковая дивизия наступала силами 1330-го и 54-го стрелковых полков через кукурузные поля, в направлении совхоза имени Ворошилова, Александровки, Болгарки. В обороне находилась группировка противника в составе 15-й пехотной дивизии, 1-й кавбригады и 13-го отдельного пулеметного батальона. К 10 часам утра 421-я дивизия вышла на рубеж: западная окраина Фонтанки – совхоз «Ильичевка» – шоссе Одесса – Николаев.
Советское наступление стало неожиданностью для 22-го румынского пехотного полка. Один из батальонов этого полка потерял командование и поддался панике, потянув за собой другие подразделения. Румыны отступили на южные окраины села Кубанка, сломав всю линию обороны 5-го корпуса, который был вынужден отвести свою 15-ю пехотную дивизию. Румынские солдаты 15-й пехотной дивизии находились на передовой начиная с июля и нуждались в отдыхе и реорганизации. В конце сентября они ожидали своей замены и подхода новых подкреплений 1, 2 и 18-й пехотных дивизий.
157-я стрелковая дивизия наступала пятью батальонами 716-го и 633-го стрелковых полков (3-й батальон 633-го полка прибыл в Одессу лишь утром 22 сентября и в этот день не смог принять участия в боях, а 384-й полк находился в армейском резерве). Дивизии противостояли 13-я румынская пехотная дивизия и отдельный пулеметный батальон. Главный удар 157-я стрелковая дивизия наносила на своем левом фланге в направлении Гильдендорфа и совхоза «Ильичевка». Наступление дивизии поддержали 30 танков и бронепоезд. На участке 157-й стрелковой дивизии было сконцентрировано большое количество артиллерии – 10 орудий на 1 км фронта.
Путь наступающим дивизиям преграждали вражеские дзоты, окопы, проволочные заграждения… Но неприятельские войска не смогли устоять перед сильным натиском советских дивизий, и вскоре их сопротивление было сломлено. Бросая на поле боя убитых и раненых, вооружение, боеприпасы, снаряжение, противник начал беспорядочное отступление в Северном направлении. Дивизия Томилова, присланная Ставкой, оказалась одной из лучших, действительно ударной силой. На левом фланге 157-й стрелковой дивизии наступление пошло быстрее, чем на других участках. Главный удар – на север, на Гильдендорф наносился 716-м стрелковым полком В.А. Соцкова, бронепоездом и ротой танков. 633-й стрелковый полк дивизии с еще одним танковым взводом успешно продвигался справа от железной дороги к совхозу «Ильичевка». 716-й стрелковый полк дивизии Томилова, вырвавшийся вперед, к 13 часам занял Гильдендорф, а 633-й стрелковый полк – совхоз «Ильичевка».
Правый фланг наступающих значительно отставал от левого. На участке 421-й стрелковой дивизии, у Фонтанки, где располагались доты противника, наступление было временно приостановлено. Повторные атаки не приводили к успеху. У шоссе Одесса – Николаев, между дорогой и побережьем, батальон осиповского полка вынужден был залечь перед проволочным заграждением, что прикрывались сильным пулеметным огнем. Проволоку рубили лопатками, набрасывали на нее бушлаты и телогрейки. Ценой больших жертв и героизма Фонтанка к 10 часам утра была очищена от врага. Полк Осипова был задержан у укрепленной противником высоты 58,0 и у соседнего агрокомбината.
В 13.30 командарм признал необходимым временно приостановить наступление. Вследствие неравномерного продвижения войск на соседних участках между частями образовались большие разрывы. Некоторые командиры, увлекшись преследованием противника, утеряли контакт с соседом, не успевали выдвигать на новые позиции артиллерию, переносить командные пункты, линию связи. Во второй половине дня румынское командование стало спешно перебрасывать в район боев части резерва и части, снятые с других участков фронта. Авиация противника начала усиленную бомбардировку порта и кораблей, поддерживавших огнем артиллерии наступавшие войска.
После того как через три часа полки 157-й стрелковой дивизии возобновили атаки, 716-й стрелковый полк продвинулся далеко вдоль Куяльницкого лимана, а затем повернул к центральному участку полосы контрудара. Преследуя противника, дивизия Томилова, через два часа после возобновления атак, вышла на рубеж хутора Шевченко и расположенных к востоку от него высот.
К этому времени между 633-м стрелковым полком и его правым соседом образовался большой разрыв, который следовало ликвидировать как можно быстрее. В 23.00 войскам передали боевое распоряжение, где указывалась новая линия обороны. Она начиналась по ту сторону Большого Аджалыкского лимана за Новой Дофиновкой (удерживать Старую Дофиновку и Чебанку, через которые прошел десант, задача не ставилась) и пролегала севернее Александровки и Гильдендорфа, сохраняя между лиманами дугообразную форму прежнего переднего края. С возобновлением наступления 412-я стрелковая дивизия захватила агрокомбинат и высоту 58,0. После этих локальных побед румынские части на правом фланге обратились в бегство.
В течение всего дня наступления авиация поддерживала атаки советских войск. С 16.15 до 18.50 десять истребителей штурмовали живую силу и пулеметные гнезда противника в лощине западнее Александровки. В то же время румынские летчики соединения GAL совершили 71 вылет и сбросили 32 т бомб на наступающие советские войска. К исходу дня румынскому командованию удалось приостановить наступление 157-й стрелковой дивизии, большую активность начала проявлять вражеская авиация. При активной поддержке огня корабельной артиллерии, бомбардировочной и штурмовой авиации части Восточного сектора к исходу дня выполнили поставленную задачу. Как утверждают донесения, из контрудара 157-я стрелковая дивизия вышла с минимальными потерями: 19 убитых, 237 раненых. Несравненно большие потери были у 421-й. Полк Осипова вышел к Александрова и Вапнярке, где в районе совхоза имени Ворошилова около 6.00 23 сентября встретился с моряками из 3-го полка морской пехоты.
С наступлением темноты 22 сентября 157-й стрелковой дивизии было приказано прекратить преследование неприятельских частей. Утром 23-го такой же приказ получила и 421-я стрелковая дивизия. Части стали закрепляться на достигнутых рубежах между Большим Аджалыкским и Куяльницким лиманами – рубежах, за которые шли ожесточенные бои в конце августа 1941-го.
Войскам левого фланга 4-й румынской армии было нанесено серьезное поражение. Враг потерял около 5 тыс. солдат и офицеров убитыми и ранеными, до 200 румынских солдат сдались в плен. Были разгромлены незадолго до этого пополненные 13-я и 15-я румынские пехотные дивизии, причем 13-я пехотная дивизия понесла такие потери, что в дальнейших боевых действиях под Одессой практически не участвовала.
Впоследствии румынский Генштаб провел тщательное расследование «тактического кризиса» (так был назван успех советского наступления в Восточном секторе). По итогам расследования было установлено, что 4-й армейский корпус 21–22 сентября проигнорировал приказ командования 4-й армии о сдерживании противника. 5-й армейский корпус с 13-й дивизией (правый фланг) и 15-й дивизией (левый фланг) действовали на слишком широком фронте между Куяльницким лиманом и Черным морем, несмотря на то что 13-я дивизия имела в своем распоряжении лишь четыре батальона, она держала участок фронта протяженностью в 10 км.
Наши войска и десантники захватили большие трофеи, в том числе 33 орудия разных калибров, включая тяжелые орудия, обстреливавшие город и порт, 110 пулеметов, 30 минометов, 1100 винтовок и автоматов, 13 500 мин и ручных гранат, 3000 снарядов, много военного снаряжения. В некоторых документах указываются и 6 трофейных танков… Успех контрудара сыграл огромную роль в укреплении боеспособности частей Приморской армии и поднял боевой дух защитников Одессы.