当天中午13时，日军“滨风”号驱逐舰送来弹药补给，却因陆战队已深入敌阵无法取得联络悻悻撤走。当晚21时日军再次发动夜袭，因地形不熟而迷失方向。前来助战的轻巡洋舰“天龙”号及驱逐舰“浦风”号、“谷风”号因与攻击部队联络不上无法实施炮火支援，只从滩头接走了部分伤员。因克拉奇利少将率第四十四特混舰队前往支援美军在瓜岛的登陆行动，盟军在新几内亚地区没有海上力量，拥有制海权的日军舰艇得以利用暗夜在附近海域自主活动。
但盟军拥有空中优势，日军从早到晚一直受到盟军战斗机“直到枪膛子丨弹丨打光才停止扫射”的攻击。林中佐于是采取了白天据守、夜晚进攻的办法，以充分发挥日军的夜战优势，同时让对手摸不清自己的底细。27日凌晨3时，日军以2辆坦克为先导突击机场并派部队实施包抄。黑暗中一些日军士兵大声用英语向敌阵喊出“撤退”，守军三个连中真有超过50人将日军喊话当成了命令放弃阵地向后撤退。黎明时分，担心遭日军合围的澳军向后撤退1.6公里沿格罗尼河西岸据守，希望以河流迟滞日军的攻势。当晚19时，林中校集中力量再次发起攻击，澳军试图用反坦克黏性手雷攻击日军坦克，毫无效果。经两个半小时激战，损失70余人的澳军第十营和第二十五营再次败退。至28日凌晨1时，日军已攻至三号机场外围。听说日军有2辆坦克，澳军前沿阵地的一个排径直率先撤出阵地。意识到日军已经迫近，克劳斯下令驻一号机场的P-40战斗机全部转场至莫尔兹比港过夜。
麦克阿瑟对米尔恩湾的战斗极为关注。他在28日告诉不莱梅，自己对那里的信息传递和目前战况极不满意。澳军副总参谋长乔治瓦西少将告诉罗威尔，因为他和克劳斯提供的信息太少，使澳军总参谋部在和美军交涉时处境尴尬，麦克阿瑟根据零星情报作出了“澳军作战很不积极”的判断。虽然澳大利亚人对此很不服气并进行了反驳，但克劳斯的保守战术使近万盟军被千余日军追屁股打确实有点说不过去。
虽然澳军一路败退，但连日激战的日军同样损失惨重。8月27日下午，接到林中佐发来“头天晚上进攻未果”的电报后，三川决定向米尔恩湾派出增援，增援部队由矢野稔中佐吴镇守府海军第三特别陆战队568人及吉冈文治中尉横须贺第五特别陆战队一个中队的200人组成。因为运输船大都用于瓜岛方向，上述人员只能乘驱逐舰“岚”号、“丛云”号、“弥生”号和3艘巡逻艇前往。28日15时30分，增援船队在松山少将“天龙”号轻巡洋舰和2艘驱逐舰护航下驶出拉包尔，于29日20时40分开始登陆，23时30分全部上岸与林中佐的主力汇合。当天日军遭受的最大损失是之前进攻中立下奇功的2辆坦克陷入沼泽动弹不得，失去了进攻最佳利器。
8月31日凌晨3时，矢野率部向盟军三号机场靠海岸一侧东部边缘发起了潮水般的攻势。失去坦克的日军攻坚战术单调呆板，采用多个密集冲锋队形轮番进攻机场。澳军频频释放照明弹并调来第五团的火炮实施阻击，日军三次冲锋均被击退，吴镇守府第三特别陆战队第二中队全军覆没，林中佐也被澳军炮火炸死。矢野在黎明前发起的最后冲锋同样被粉碎，日军丢下160具尸体后仓皇撤退。
31日白天，连续进攻三号机场受挫的日军终于意识到对手实力量强大，凭现有兵力实在难以取得突破，于是矢野下令全军撤退。米尔恩湾战斗在这一天攻守易势，克劳斯少将终于下决心投入伍滕准将的第十八旅发起反攻，前锋阿诺德中校的第十二营在日军狙击下进展缓慢。傍晚时分，矢野率300余人从密林中突然杀出。经两小时激战，日军再次丢下90具尸体向东逃窜。伤亡惨重且无法取得突破的矢野恼羞成怒，向士兵下达了“格杀勿论”的命令。当澳军发起反击时，竟然发现战斗中因伤被俘的战友们都被捆在树上用刺刀捅死。日军试图通过屠杀战俘恫吓澳军的心理攻势不仅未取得任何效果，其残忍手段反而激起了澳军士兵的满腔怒火，他们一鼓作气将日军打退至登陆滩头。
眼见局面已经无法收拾，受伤的矢野致电拉包尔请求撤退。三川尚不肯就此罢休，复电矢野固守待援。但因瓜岛战事紧急，百武实在爱莫能助。三川遂决定由安田义达大佐率横须贺第五特别陆战队130人前往增援—派出百余号人就想扭转战局，这三川也太不把近万守军放在眼里了。9月2日下午16时50分，三川收到了矢野发来的最后电报：“濒临绝境，但会坚守阵地直到最后，祈求帝国武运长久！”
负责运兵的第十八战队司令官松山少将同样认为派百来号人去根本无济于事。于是三川紧急赶往第十七军司令部找到百武，协调让8月31日刚刚抵达拉包尔的青叶支队抽出一个大队同往增援。青叶支队战斗力极强，只要矢野能守住阵地，援兵将在9月12日抵达。9月3日夜间，日军2艘驱逐舰突入米尔恩湾，带走了包括矢野在内的大批伤员。岸上残留560人中仅200人还有战斗力。
4日夜间，驱逐舰再次前来接走了200多伤员，此时岸上可战日军已不足50人，中队长以上军官无一幸存，小队长还剩下三四人，重伤员干脆选择拉响手榴弹自尽。驱逐舰舰长发回电报说，“地面部队必须尽快撤离，即使安田部队前来增援，也丝毫没有希望坚持到青叶支队赶来。”5日清晨7时10分，接到电报的松山致电第八舰队司令部，建议停止安田部队的增援行动，当晚撤走所有残余人员。至此三川清楚局面已无法挽回，9时40分复电松山表示同意。因日军完全握有制海权，当晚松山将岸上残兵从容撤出。参加米尔恩湾作战的1900名日军有1300人成功撤回。非但如此，当晚22时日舰猖狂驶入港湾，将澳军1艘摩托艇击沉，1艘医务船击伤，随后对岸上阵地的炮击导致澳军2死12伤。米尔恩湾作战失利预示着日军从南岸进逼莫尔兹比已无不可能，攻占莫尔兹比港的最后希望全部寄托在南海支队身上了。战斗结束后不久，克拉奇利少将率第四十四特混舰队从瓜岛返回，西南太平洋战区终于有了自己的海军力量。
9月6日，澳军仅遭到少数日军零星抵抗。到8日傍晚，米尔恩湾日军有组织抵抗宣告结束。战斗中日军共损失600-700人，澳军伤亡373人，12名军官和149名士兵阵亡或失踪，美军仅1亡2伤。对米尔恩湾之败，联合舰队宇垣参谋长在《战藻录》中总结了原因：“从战术上讲是因陆战队员素质较差，怎能指望以30岁以上的应召兵去打胜仗？降雨太多也影响了部队行动。从战略而言，瓜达尔卡纳尔和莫尔兹比港的问题还在麻烦之中，却轻易在米尔恩湾开辟第三条战线，焉能不败？”后来在缅甸战役中，威廉斯利姆中将是这样激励英军士兵的：“在新几内亚的米尔恩湾，澳大利亚军队在陆地上粉碎了日军不可战胜的神话。如果当时澳大利亚人都能做到，今天我们也应该可以做到。”
麦克阿瑟为米尔恩湾的胜利专门发布了公告：“本次行动是经过事先周密准备的，敌人落入了我们的圈套。”其实盟军根本不值得骄傲。用弹粮充足的9458人以逸待劳防守仅1900余疲惫之师，还让敌军大部从容撤走，这样的仗老酒都不好意思说是胜仗。现在既然日军对米尔恩湾的进攻被粉碎，麦克阿瑟可以放心将澳军第七师投入科科达的战斗了。