Trận chiến biển Bismarck
Diễn biến > Đòn tấn công chính của Đồng Minh

Ngày 3 tháng 3, đoàn chuyển vận hạm đã đi vào khu vực thuộc tầm hoạt động của Phi đoàn 100 Không quân Úc, căn cứ tại vịnh Milne, được trang bị 100 phi cơ phóng ngư lôi Bristol Beaufort. Do thời tiết xấu nên chỉ hai oanh tạc cơ phát hiện và tấn công đoàn tàu nhưng đều không trúng đích. Khi đoàn tàu đến bán đảo Huon, thời tiết trong xanh trở lại. 90 máy bay Đồng Minh xuất phát từ cảng Moresby bay đến mũi Ward Hunt, trong khi 22 chiếc A-20 Boston của Phi đoàn 22 Không quân Úc tấn công căn cứ không quân Nhật tại Lae để hạn chế sự yểm trợ đoàn tàu của các chiến đấu cơ Nhật. Các cuộc tấn công vào căn cứ này diễn ra trong suốt cả ngày.
Lúc 10 giờ sáng, 13 oanh tạc cơ B-17 ném bom đoàn tàu ở độ cao 7.000 feet, làm đoàn tàu bị phân tán và giảm khả năng tập trung hỏa lực phòng không. Các chiến đấu cơ Mitsubishi A6M Zero của Nhật và P-38 của Mỹ cũng lao vào cuộc chiến trên không. Một chiếc B-17 bị gãy đôi trên không trung và tổ lái buộc phải nhảy dù thoát ra. Trong khi những thành viên tổ lái còn đang bung dù lơ lửng hoặc vừa rơi xuống nước, họ trở thành mục tiêu cho các phi công Nhật xả súng máy vào. Năm chiến đấu cơ Nhật trong khi làm việc này đã bị bắn hạ, phía Mỹ cũng mất ba chiến đấu cơ Lightning. Các phi công chiến đấu cơ Đồng Minh tuyên bố hạ được 15 chiếc Zero và các xạ thủ trên B-17 tuyên bố hạ được 5 chiếc nữa. Trên thực tế, chỉ có bảy chiến đấu cơ Nhật bị phá hủy và ba chiếc bị thương. Oanh tạc cơ B-25 bay đến sau đó đã thả những quả bom nặng 500-pound từ độ cao 3.000 đến 6.000 feet, làm cho hai tàu Nhật trong lúc hoảng loạn đã va vào nhau. Cuộc tấn công của các phi cơ B-17 và B-25 khiến đoàn tàu Nhật bị phân tán và hỏa lực phòng không tập trung vào cao độ tầm trung, tạo ra sơ hở ở cao độ tầm thấp.
13 chiếc Beaufighter thuộc Phi đoàn 30 Không quân Úc bay đến tấn công đoàn tàu ở cao độ thấp. Các thủy thủ Nhật nhận định sai lầm rằng những chiếc Beaufort chuẩn bị tấn công bằng ngư lôi nên cho đoàn tàu trở hướng đối mặt với những chiếc oanh tạc cơ trên, giảm thiểu khả năng bị trúng ngư lôi. Điều này giúp cho những chiếc Beaufighter dễ dàng tiêu diệt những ụ pháo phòng không, bắn phá đài chỉ huy của tàu và giết chết các thủy thủ bằng bốn khẩu pháo 20 mm (0.79 in) ở đầu mũi và sáu khẩu súng máy 7,7 mm (.303 in) ở cánh. Ngay sau đó, bảy chiếc B-25 của Phi đoàn Oanh tạc cơ 38 bay đến ném bom ở độ cao khoảng 750 m (2.460 ft), trong khi sáu chiếc khác thuộc Phi đoàn 405 oanh tạc ở tầm cực thấp.
Khu trục hạm Shirayuki là nạn nhân đầu tiên của cuộc oanh tạc. Toàn bộ những người có mặt tại đài chỉ huy đều bị thương vong, trong đó Chuẩn đô đốc Kimura bị thương. Một quả bom trúng kho vũ khí làm phát nổ, phá huỷ đuôi tàu và chiếc tàu bắt đầu chìm xuống. Lệnh bỏ tàu được ban ra và thủy thủ đoàn chuyển sang chiếc Shikinami. Khu trục hạm Tokitsukaze cũng bị thương chí tử sau đợt bom. Thủy thủ đoàn của nó được chuyển sang chiếc Yukikaze. Trong khi đó, khu trục hạm Arashio sau khi trúng bom đã đâm vào chuyển vận hạm Nojima, khiến cả hai chiếc tàu bị tê liệt và buộc phải bỏ lại. Nojima sau đó đã bị máy bay đánh chìm.
14 chiếc B-25 trở về trong chiều hôm đó và tuyên bố đã ném bom trúng hoặc gần trúng 17 lần. Đến lúc này, 1/3 số chuyển vận hạm đã bị chìm hoặc đang chìm. Khi tất cả oanh tạc cơ Beaufighter và B-25 đều hết đạn, một số chiếc A-20 Havoc của Không quân Mỹ bắt đầu nhảy vào tấn công. Về phần các cuộc tấn công tầm cao, phi công những chiếc B-17 của Liên đoàn 43 tuyên bố ném trúng 5 lần. Đến buổi chiều, B-26 Không quân Mỹ và Boston Không quân Úc tiếp tục tấn công.
Garrett Middlebrook, phi công của một chiếc oanh tạc cơ B-25 miêu tả lại cuộc tấn công:
Các máy bay bay đến tấn công các tàu chở quân. Những gì tôi thấy giống như những cái que, dài khoảng một foot hay đại loại thế, hoặc những mảnh vụn văng ra khỏi boong tàu; chúng bay khắp nơi... quay tròn trên trời và sau đó rơi xuống nước. Sau đó tôi mới nhận ra đó chính là những con người, hàng trăm lính Nhật trên boong tàu bị thổi bay đi bởi hỏa lực súng máy. Họ xoay tít trong không khí như những cái que trong cơn gió lốc rồi sau đó rơi xuống nước.