Собственные подводные лодки привлекались для действий на коммуникациях противника. Из-за опасения высадки вражеских десантов 13 июля нарком ВМФ поставил основной задачей оборону побережья. К середине июля в море курсировали 10–11 подлодок, в том числе 3 у румынского побережья, остальные – у своих берегов. В начале января 1942 г. нарком ВМФ оценил действия советских лодок на коммуникациях противника как неудовлетворительные. За полгода подводными лодками удалось потопить 7 транспортов противника, однако потери составили также 7 лодок. Главной причиной неэффективности действий подлодок при больших потерях были существенные недостатки в планировании их походов при слабом навигационном сопровождении. Основные потери произошли от попадания на донные минные заграждения, защищавшие берега Румынии и Болгарии. В октябре – декабре 1941 г. здесь погибли С-34, Щ-211, Щ-204, М-58, М-59 и М-34, подорвались и получили повреждения Щ-212, Щ-205 и Л-4. С начала 1942 г. до падения Севастополя подводными силами Черноморского флота было совершено 42 похода на коммуникации противника, произведено 8 торпедных и 6 артиллерийских атак. В результате были потоплены болгарский и румынский транспорты, уничтожено 6 малых судов нейтральных стран.
В августе – сентябре 1941 г. Черноморский флот принимал непосредственное участие в обороне Одессы. Здесь впервые был организован оборонительный район – принципиально новая организационная форма объединения разнородных сил армии и флота. Данная схема организации обороны военно-морской базы хорошо себя зарекомендовала и была в дальнейшем применена при обороне Севастополя.
Корабли флота в период обороны Одессы получили важный опыт, также пригодившийся при последующей борьбе за Севастополь. Корабельная артиллерия оказала существенную поддержку частям, защищающим Одессу. Однако 65 % стрельб велось по площадям, что снижало эффект от обстрела. Только с 26 по 31 августа каждый день от трех до восьми кораблей израсходовали более 3700 снарядов.
Силами флота в Одессу доставлялись конвои с пополнением, боеприпасами и продовольствием. Несмотря на действия авиации противника, удавалось совершать длительные и объемные перевозки. Так, в критический период обороны 16–20 сентября из Новороссийска на 10 транспортах и 12 боевых кораблях были доставлены 157-я стрелковая дивизия с полным вооружением и 36 рот маршевого пополнения. В целом оборона морских коммуникаций между Севастополем и Одессой велась достаточно успешно. С начала войны и до конца обороны по этому пути транспортные суда совершили 215 одиночных рейсов и 696 в составе конвоев. Для их охранения эсминцы совершили 41, тральщики – 86, сторожевые