2月28日，船隊從拉包爾出航。3月1日，即被美軍飛機發現。美軍隨即將在莫爾茲比港機場的268架飛機編成突擊機群，隨時待命出發，隻是此時日軍船隊還未進入中型轟炸機的作戰半徑，因此肯尼中將隻是出動B17“空中堡壘”重轟炸機對船隊進行監視。3月2日晨，船隊到達新不列顛島以西海域，美軍七架B17“空中堡壘”重轟炸機飛來，分成兩隊，采取不同高度對船隊發起了攻擊，“旭盛丸”號運輸船接連中彈，於九時許沉沒。“旭盛丸”號上搭載的一千五百多名陸軍隻有第五十一師團長中野在內的八百多人在沉沒前被“朝霞”號和“雪風”號驅逐艦接走，這兩艘驅逐艦立即全速駛往萊城。3月3日淩晨將這八百多人送上岸後，再全速折返，與船隊會合。在此次空襲中，還有三艘運輸船被炸傷。下午，美軍飛機又發起了兩次空襲，“野島”號驅逐艦遭到重創，失去機動能力。為了迷惑美軍，日軍船隊一直沿駛向馬丹的航線行駛，直到日落後才改變航向，駛入維蒂阿茲海峽，美軍“卡塔林那”飛機不時投下照明彈，緊緊跟蹤。
3月3日，天氣開始轉晴，日軍預料到美軍必將發動更大規模的空襲，增派四十餘架飛機加強了空中掩護。九時許，美軍從巴布亞地區各機場出動一百多架飛機，首先由十三架“英俊戰士”從一百五十米高度俯衝掃射，接著又是三十架B17轟炸機一陣猛炸，最後是十二架B25轟炸機的致命攻擊。B25以疏開隊形，十餘米高度的超低空，一麵用機槍掃射，一麵采取“跳彈攻擊”。所謂“跳彈攻擊”就是將炸彈像魚雷那樣投下，使炸彈在水麵上跳躍著如同打水漂一樣衝向目標，撞擊目標的船舷。日軍對此戰術毫無防範，空中掩護的四十餘架戰鬥機因美軍通常都是在六千米高度進行水平轟炸，所以都集中在中高空，對於美軍超低空攻擊根本來不及反應。而日軍船隻還以為遭到美軍的魚雷攻擊，進行了緊急規避機動，但為時已晚。美機投下的三十七枚炸彈有十七枚命中，七艘運輸船無一幸免，全被擊沉。“白雪”號驅逐艦彈藥艙中彈，引發大爆炸，艦尾被整個炸飛，沒挨過一小時就沉入大海。“荒潮”和“時津風”號驅逐艦都被跳彈擊中，喪失了機動能力。
此次空襲過後，日軍驅逐艦開始打撈落水人員，不久即接到大批美機正在飛來的警報，便立即停止打撈，迅速向長島以北行駛，駛離美機的作戰半徑，總算逃過一劫。
下午，因天氣惡化，出擊的美機隻有部分飛機發現並對日軍船隊實施了猛烈攻擊。“荒潮”號再度中彈，舵機失靈，與已受重傷的“野島”號相撞，更是雪上加霜，在海麵上一直漂泊到4日早晨，美軍B17轟炸機投下的炸彈正中煙囪，一聲巨響之後艦體被炸為兩段，終於沉沒。“朝潮”號趕來救助“荒潮”號，也遭攻擊，先被B17轟炸機投下的炸彈擊中，失去機動能力，後又遭八架B25的集中攻擊，連中四彈後沉沒。“時津風”號上午受傷後，乘坐該艦的第十八軍軍長安達中將和艦員轉至“雪風”號，軍艦在海麵上奄奄待斃，日軍為不使該艦落入美軍手中，於3月4日派出九架轟炸機和十九架戰鬥機前來轟炸，此時日軍飛行員的技術根本無法與戰爭初期相比，竟無一彈命中失去機動力又無對空火力的“時津風”號，最終還是在4日下午由美軍飛機將其送入海底。
3日黃昏，從卡維恩趕來的日軍“初雪”號驅逐艦在長島附近海域與船隊殘存的四艘驅逐艦會合，並為四艘驅逐艦補充了燃油，然後五艘驅逐艦兵分兩路，四艘驅逐艦救起的所有的陸軍官兵全部集中到“初雪”和“浦波”號驅逐艦上，由這二艘驅逐艦送回拉包爾。另三艘驅逐艦則乘夜暗返回戰場，繼續救助落水官兵。由於當晚風浪較大，夜間能見度又低，三艦隻救起了少數人員，於5日中午回到拉包爾。此後日軍還出動潛艇前去搭救落水人員，但效果甚微。
而美軍對日軍落水官兵也很重視，為了不使其上岸為害，不僅出動水上飛機進行搜索，還派出魚雷艇部隊，尋找消滅乘坐救生艇的官兵。
此次海空戰史稱“俾斯麥海海戰”，日軍有八艘運輸船和四艘驅逐艦被擊沉，運送的六千九百多名陸軍和四百多名海軍中，有三千七百多人喪生，二千七百多人返回拉包爾，隻有近九百多人在目的地登岸，而所有運送的火炮、車輛和軍需物資全部損失，美軍隻損失了四架飛機。