Il 3 novembre il "Mogami" con resto della divisione d'appartenenza, la 4ª e l'8ª Divisione incrociatori salpò alla volta di Rabaul: Kōga aveva deciso di distaccarvi le forze da battaglia per recare aiuto all'8ª Flotta, la quale aveva subito una sconfitta nella notte tra il 1º e il 2 e non era riuscita a eliminare la testa di ponte che la squadra del viceammiraglio William Halsey aveva stabilito su Bougainville. Il gruppo di incrociatori arrivò la mattina presto del 5 nella rada e si ormeggiò, ma lo spostamento era stato localizzato da ricognitori statunitensi e il viceammiraglio Halsey aveva ottenuto dall'ammiraglio Chester Nimitz che le portaerei e gli fossero temporaneamente affidate, allo scopo di colpire subito le unità nipponiche. Alle 09:00 del 5 fece dunque partire un'ondata di 97 velivoli, che giunse alle 11:15 su Rabaul e completò un riuscito attacco: il "Mogami" fu centrato in pieno da una bomba da 500 libbre (circa 230 chili) sganciata da un Dauntless della "Saratoga" e a bordo si sviluppò un violento incendio; diciannove uomini rimasero uccisi. Domate le fiamme, il giorno seguente il "Mogami" lasciò Rabaul al seguito dell'intatto "Suzuya" e, arrivato l'8 a Truk, fu sottoposto a un raddobbo d'emergenza da parte della "Akashi", durato sino al 16 dicembre. Salpò subito dopo e il 21 raggiunse Kure, nel cui arsenale fu tratto in secca il giorno seguente per le riparazioni necessarie. Nel corso dei lavori si provvide ad aggiungere otto cannoni Type 96 da 25 mm, tutti su affusti individuali.