第二次世界大战期间，罗马尼亚军队作为德国的仆人，大部分时间都扮演着跑龙套的角色。在1941年夏秋奥德萨战役中，罗马尼亚军队作为轴心国的主要进攻力量。这场战斗已经成为罗军在第二次世界大战历史上最强大的打击。
1940年，罗马尼亚军官安东尼斯库发动政变，建立了读才政权。同年10月，罗马尼亚加入了轴心国阵营，后来作为德国仆从军参加了对苏联的侵略。罗马尼亚已经派出22名教师进入东线作战，远远优于匈牙利、保加利亚甚至三国轴心之一的其他仆从国。苏德战争初期的敖德萨战役是罗军主要进行的攻坚战，是罗马尼亚军队在东线发动的最强进攻。
1941年7月27日，希特勒授予安东尼斯库陆军元帅军衔，并要求罗马尼亚军队在德军的支持下占领苏联黑海港口城市敖德萨(Odessa)，切断苏联通过敖德萨从黑海向乌克兰输送兵力和物资的渠道，方便德军抽出兵力进入苏联腹地。
8月3日，罗军第四集团军司令尼古拉伊·索皮卡中将指挥下横渡德涅斯特河。罗军计划兵分为两条路。左翼第三集群（罗军第一、第三、第七步兵师和第二坦克团）负责对奥德萨的积极攻击。右翼第五集群（罗军第15步兵师、第1装甲师和第1骑兵旅）负责对奥德萨以南发动侧攻。
面对严峻形势，苏军大本营下令成立敖德萨防区，统辖苏军独立滨海集团军、黑海舰队敖德萨基地和民兵部队，围绕敖德萨市区修建了由战壕、碉堡和反坦克炮阵地组成的三道防线。外围防线距市区25-30公里，全长80公里；中层防线距市区6-8公里，全长30公里；最后一道防线是敖德萨市区。第25和第95步兵师、第9骑兵师、第421海军步兵旅(由黑海舰队水兵组成)、第54步兵团和一个内务团共3.5万人，配备240门火炮和111架飞机。
罗军8日发动总攻。14日，罗军第一骑兵旅突破外围防线，独军深入亚历山德罗夫卡(Alexandrovka)镇，原地转入防御，等待罗军第一装甲师后续跟进。下午，随着远处隆隆的螺旋桨声，几架苏军“伊尔-2”强击机很快出现在天空中，被称为“黑色死神”。他们喷着火舌扑向地面，一排排弹雨过后，罗军人仰马翻，一些受伤后摔倒在地的战马苦苦挣扎，发出嘶嘶力竭的嚎叫。
空袭一过，无数的苏联士兵就从四面八方涌出。他们喊道：“乌拉！”像潮水一样扑向罗军。双方立即展开了中世纪的战斗：罗军骑兵拔出锋利的马刀，骑马；苏联步兵排队整齐，步枪上有一把明亮的刺刀，杀死了罗军骑兵。有一段时间，镇上的杀戮声震惊了。直到下午，罗军的第一装甲师才到达，罗军才阻止了苏联的反击。
在接下来的几天里，罗军不断进攻，很快占领了敖德萨城外的水库，切断了城市的水源，使敖德萨军民只能靠海运淡水维持生命。
18日黎明，罗军两个步兵团以一个坦克团为先导，向敖德萨外围防线的米哈伊洛夫卡镇发起进攻。罗军坦克前进不久，对面阵地闪烁光晕，苏军密集的反坦克炮火像雨点一样袭来。转眼间，罗军有20多辆捷克共和国(t)轻型坦克接连命中，坦克团长立即死亡。失去坦克支援的两个罗军步兵团仍在拼命冲锋，杀入镇内，战斗异常激烈，包括两个领导人在内的一半罗军官阵亡。那天晚上，罗军终于完全控制了镇。
24日，罗军全面突破苏军外围防线，敖德萨市区已进入罗军重炮射程。
28日上午，随着隆隆炮声，罗军对苏军中层防线发动了进攻战。苏军顽强抵抗。在敖德萨，拖拉机厂工人配合苏军为拖拉机安装45mm反坦克炮，改装成简易坦克投入战斗；在战场上，苏军反坦克炮手在靠近罗军坦克的情况下没有撤退，并连续开枪直到炮位死亡。
13日，为了打破僵局，罗军集中两名教师再次发动强攻，突然遭遇大量苏军抵抗，全天只推进300米。一名领先的步兵师伤亡惨重，不得不撤出战斗，被其他部队取代。后来，根据情报，苏联军队刚刚从黑海运送了大约12600名步兵师抵达奥德萨防线。
罗军迅速组织对敖德萨港口的大规模空袭，以防止苏军的供应和增援。15日和16日，德国空军和罗马尼亚空军联合派出9个轰炸机大队轰炸敖德萨港口。罗军轰炸机低空接近，使得善于对付高空目标但射速慢的苏军重型高炮难以发挥优势。空袭对苏联海军运输补给舰队造成了致命打击，击沉了一艘苏联驱逐舰、炮艇、拖船和运输舰，伤害了多艘，一度中断了苏联军队在敖德萨的海上支援。
9月21日，罗军终于突破了苏联军队的中层防线。罗军第七骑兵旅突破敖德萨东部市区。随后的罗军炮兵立即封锁并射击敖德萨港口，导致苏联海军运输补给的船只无法进出港口。
9月22日，被迫死亡的苏联军队在整个战斗中发动了最大的反击，派出了两名驻扎在城市的步兵师，并从海上登陆了一个团的海军陆战队进行合作。进攻发动前，苏联军队在罗军第七骑兵旅后面空降了一个小团队。他们袭击了罗军团总部，到处活动，造成了大部队空降的错觉。罗军惊慌失措，主动撤退了6公里。
苏军短暂的胜利只改变了不到10天的平静。在一些德军的配合下，罗军迅速重新集结力量，清理了城市周边的防御工事。左右翼集群形成了一个包围圈，并逐渐压缩。许多部队进入了城市，罗军的炮火开始日夜轰击奥德萨市区的每一寸土地。
10月12日，罗军拼凑了所有军队，向敖德萨市苏军发动了最后一次总攻。在市民的支持下，市区苏联红军的余部与侵略者进行了最后的战斗。每一栋建筑和房间都成了残酷的战场。
经过几天的激烈战斗，只有敖德萨港还在苏军手中。16日，随着最后一艘苏联驱逐舰驶离港口，防守苏联军队失去了最后的炮火掩护，但只剩下一排苏联军队仍在一个港口堡垒里阻止罗军。敖德萨的最后一个保卫者为苏维埃祖国履行了最后的义务。下午4点，在重炮的轰击下，要塞被彻底摧毁。当晚，罗军攻占了整个敖德萨市。
敖德萨战役于1941年8月8日至10月16日以罗军的胜利告终。德军切断了苏军从黑海到乌克兰的运输线，成功控制了整个乌克兰。
罗马尼亚军队在这场战斗中付出了沉重的代价，伤亡8.1万人(其中17729人死亡)，失踪11471人(大部分被俘)。苏军在敖德萨战役中伤亡4.1万人(其中16578人死亡)。
此后，罗马尼亚军队还参加了1941年克里米亚半岛战役、1942年斯大林格勒战役和同年的高加索战役，其中大部分是德国配角。值得一提的是，在斯大林格勒战役中，负责保护德国侧翼的罗马尼亚第四集团军队在面对苏联军队的强大反击时失败了，这在很大程度上导致了德国军队的最终失败。