Первая организационная военная структура в регионе была создана в 1862 году. Округ на территории Херсонской, Таврийской, Екатеринославской и Бессарабской губерний существовал до 20 февраля 1918-го.

В апреле следующего года округ был создан снова. После гражданской войны он стал Черноморской группой Украинского военного округа. Поводом для формирования ОдВО в 1939-м стало обострение международной обстановки. 11 октября 1939 года был образован Одесский военный округ — в результате выделения из Киевского и Харьковского военного округов территорий Одесской, Днепропетровской, Николаевской, Запорожской, Кировоградской областей, Крымской АССР и Молдавской АССР (с 1940 Молдавская ССР).

С начала Великой Отечественной войны на базе управления и войск ОдВО сформированы отдельная 9-я армия и 51-я армия (в Крыму). Часть сил округа направлена на создание Приморской группы войск Южного фронта (в дальнейшем — Приморская армия). В августе 1941 из войск Одесского округа создана резервная армия Южного фронта. 10 сентября 1941 года округ был упразднён. 23 марта 1943 года Одесский военный округ вновь был восстановлен (без Днепропетровской и Запорожской областей, но с Херсонской областью).

С 1984 ОдВО находился в подчинении Главному командованию войск Юго-Западного направления. К 1991 году Одесский военный округ включал территории Республики Крым, Одесской, Николаевской, Запорожской, Херсонской областей Украины и Молдавии. После распада СССР округ в 1992 году отошёл Украине. Командующий войсками ОдВО генерал-лейтенант Радецкий был вторым министром обороны Украины.

Около 30 героев Советского Союза, отличившихся в годы Великой отечественной, зачислены навечно в состав подразделений округа. После войны тысячи военнослужащих округа отличились во время ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС и в ходе выполнения миротворческих миссий на территории ряда государств.