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.