Тем временем корабли вели огонь по заранее выявленным объектам противника. Затем они поставили огневую завесу на флангах и по фронту участка высадки, не подпуская силы врага к берегу, куда направлялись плавсредства с первым броском десанта. Несмотря на это, огонь противника по баркасам и шлюпкам, подходившим к берегу, был достаточно сильным – вдоль берега были расположены в достаточно большом количестве огневые точки противника: дзоты, окопы, прикрытые проволочными заграждениями, приспособленные к обороне каменные строения. Пулеметы, установленные в носовой части баркасов, открыли ответный огонь по огневым точкам противника.
На тех участках высадки, где баркасы из-за мелководья не могли подойти к береговой черте, матросы спрыгивали в воду и буксировали их вручную. Во многих местах морские пехотинцы, находясь в 100–115 метрах от берега, прыгали в море и с поднятым над головой оружием, по грудь в холодной осенней воде, шли к берегу; в вещмешках десантников вместо положенного трехдневного запаса продовольствия были двойные нормы патронов и гранат.
Большинство плавсредств подошло к берегу вплотную или на такое расстояние, которое позволяло десантникам безопасно высаживаться. С первыми десантниками на берег вышли корректировочные посты с крейсеров и эсминца "Бойкий". Заняв позиции на плацдарме и установив связь с кораблями по радио, они начали корректировку их огня. Преодолев проволочные заграждения, морские пехотинцы опрокинули румын и ворвались в Григорьевку. В окрестностях села они стремительной атакой захватили находившуюся там румынскую батарею и вскоре открыли из ее орудий огонь по противнику.
Доставив на берег десантников первого броска, корабельные плавсредства вернулись к крейсерам и приняли с них новую волну десанта. К моменту подхода отрядов кораблей высадочных средств и огневой поддержки из Одессы к району высадки баркасы и шлюпки с крейсеров перевезли на берег несколько сотен десантников, которые, захватив плацдарм, начали наступление в сторону линии фронта Одесского оборонительного района, то есть в общем направлении на запад и юго-запад.
Практически одновременно с началом высадки морского десанта, в 1 час 30 минут 22 сентября, с самолета типа ТБ-3, в глубине побережья тылу противника, в районе деревни Шицли была высажен воздушный десант в составе 23 парашютистов из флотского отряда специального назначения, который после нескольких часов боя соединился с морским десантом.
К 2 часам 22 сентября первая волна морского десанта (в которой находились и артиллерийские корректировочные посты с крейсеров) высадилась на берег, после чего корабли перенесли огонь вглубь территории.
В 2 часа 40 минут к месту высадки, к крейсерам, подошла из Одессы канонерская лодка "Красная Грузия" и, приняв на свой борт оставшихся десантников, доставила их на берег.
В 4 часа 4 минуты, высадив всех имевшихся на их борту десантников, крейсеры ушли в Севастополь, чтобы до наступления рассвета покинуть зону действия авиации противника. В это время к двум эсминцам, продолжавшим обстрел берега, присоединился еще один.
В 5 часов утра 22 сентября, оставив один батальон для охраны захваченного на побережье плацдарма, 3-й полк морской пехоты силами остальных двух батальонов начал продвижение вглубь территории противника. Вскоре десантники захватили позиции тяжелых артиллерийских батарей, которые до этого вели огонь по порту и городу. Румынские орудия были частично захвачены (четыре французских дальнобойных орудия калибра 155 мм), частично уничтожены.
После этого 3-й полк морской пехоты продолжил наступление навстречу частям 421-й и 157-й дивизий, наступавшим на соединение с десантом со стороны Одессы.
В 6 часов 15 минут в районе действий десанта появились самолеты 69-го истребительного авиаполка, которые атаковали вражеские аэродромы в районе поселка Визирка, уничтожив около 20 немецких самолетов. Спустя 45 минут, в 7 часов, бомбардировочная авиация флота нанесла повторный удар по группировкам противника в районах сел Александровка, совхоза "Ильичевка" и бывшей немецкой колонии Гильдендорф.
В 8 часов 22 сентября, после артиллерийской и авиационной подготовки, из восточного сектора обороны Одессы (район Фонтанки, Ильичевки и Куяльницкого лимана) перешли в наступление общим направлением на поселок Свердлово 157-я и 421-я стрелковые дивизии Приморской армии. Один из стрелковых полков наступавшей 421-й дивизии, а именно 1330-й, которым командовал полковник Яков Осипов, был до недавнего времени 1-м Черноморским полком морской пехоты.
В ходе боев 22 сентября морскими пехотинцами кроме уничтоженных и захваченных вражеских батарей также было уничтожено до двухсот румынских солдат и офицеров.
В течение всего дня боев 22 сентября десантников продолжали с помощью подвижных корректировочных постов поддерживать артиллерийским огнем эскадренные миноносцы, канонерская лодка и катера. Корабельная артиллерия уничтожала огневые точки, опорные пункты и различную технику врага в полосе наступления десанта, а также подходившие по дорогам резервы противника.
В 13 часов 22 сентября поддерживавшие десант огнем своих 130-мм орудий главного калибра эскадренные миноносцы атаковали 9 немецких пикирующих бомбардировщиков типа Ю-87. Только на эсминец "Безупречный" ими было сброшено порядка 30 бомб. Умелым маневрированием ему удалось избежать прямых попаданий, однако взрывная волна и осколки нанесли кораблю столь серьезные повреждения, что лишили его на некоторое время хода. Гораздо более тяжелые повреждения получил в результате этой бомбежки эсминец "Беспощадный": на нем одна из бомб разрушила полубак, а поступавшая через пробоины в корпусе вода затопила центральный пост и три кубрика. Корабль самостоятельно дошел до Одессы, откуда затем на буксире был уведен в Севастополь. Один только эсминец "Бойкий" после налета немецких пикировщиков оказался способным находиться в районе действий десанта до конца его боя.
Тем временем 3-й Черноморский полк морской пехоты продолжал наступать, действуя в двухэшелонном боевом порядке. В первом эшелоне вели боевые действия: 1-й батальон под командованием старшего лейтенанта Б. П. Михайлова (наступал в направлении Григорьевка – Чабанка – Новая Дофиновка) и 3-й батальон под командованием старшего лейтенанта И. Ф. Матвиенко (наступал в направлении Григорьевка – высота 48.2 – Старая Дофиновка); 2-й батальон двигался в качестве полкового резерва вслед за боевыми порядками 3-го батальона.
Румынские войска, не выдержав комбинированного удара с моря и с суши, начали беспорядочно отступать в северном направлении.
В ночь с 22-го на 23 сентября 1941 года морские пехотинцы соединились с 1330-м СП (бывшим 1-м Черноморским полком МП), а затем, в 6 часов 23 сентября 1941 года – с остальными частями 421-й стрелковой дивизии. К 18 часам 23 сентября, преодолев упорное сопротивление противника, 3-й ПМП выполнил поставленную ему перед высадкой боевую задачу, выйдя на рубеж: село Чабанка – высота 57.3 – села Старая и Новая Дофиновка.
В ходе боев 22–23 сентября 1941 года действия десантных сил поддерживалась активными действиями авиации Черноморского флота, наносившей массированные удары по аэродромам и сухопутным частям противника.
В результате этой комбинированной десантной операции были полностью разгромлены 13-я и 15-я румынские пехотные дивизии. Противник потерял свыше 2 тысяч человек только убитыми и пленными.
Морскими пехотинцами и стрелковыми дивизиями Одесского оборонительного района в ходе боев было захвачено в качестве трофеев 6 танков и танкеток, 39 орудий (в том числе четыре дальнобойные, крупнокалиберные 155-мм), 15 (по другим данным – 30) минометов калибра 60 и 81 мм; 13 500 мин и ручных гранат, 127 ручных и станковых пулеметов, более 1100 (по другим данным – 1250) винтовок и автоматов, а также много другого военного имущества, включая автомобили и мотоциклы.
Потери наступавших советских войск были минимальны. Так, например, находившийся на острие удара 3-й Черноморский полк морской пехоты потерял убитыми 29 человек.
В результате Григорьевского десанта румынские войска, осаждавшие Одессу, были отброшены в восточном секторе ее обороны на 5–8 километров на северо-восток, потеряв при этом как дальнобойную артиллерию, так и возможность вести артиллерийский огонь по городу и порту. Это последнее обстоятельство вскоре очень пригодилось защитникам города, когда спустя несколько дней после завершения этого наступления они получили внезапный для них приказ из Москвы оставить Одессу и начать эвакуацию в порты Крыма, и прежде всего в Севастополь.
Григорьевская десантная операция Черноморского флота стала первым крупным морским десантом в начальный период Великой Отечественной войны. Ее успех был обеспечен тщательной разведкой и внезапностью операции, хорошей подготовкой личного состава десанта, достижением господства в воздухе в районе высадки, своевременной поддержкой огнем корабельной артиллерии и одновременной выброской парашютного десанта в тыл противника. Опыт ее проведения был затем широко использован при планировании последующих морских десантов в ходе Великой Отечественной войны.