François Coli conçoit son plan de vol en suivant la route orthodromique, la plus courte, qui doit les amener à naviguer au nord-ouest en survolant la Manche, le sud-ouest de l'Angleterre, l'Irlande et l'océan Atlantique avant de glisser au sud-ouest vers Terre-Neuve, la Nouvelle-Écosse et enfin la côte est des États-Unis. François Coli s'est spécialisé dans la navigation céleste au cours de ses années passées à bord de navires de commerce et de ses vols en Méditerranée. Il a travaillé tout l'hiver 1926-27 sur les dernières évolutions météorologiques, prévoyant un départ au mois de mai.
Dans la journée du 7 mai, les prévisions météorologiques françaises, britanniques, irlandaises, canadiennes et américaines estiment que les vents souffleront avec constance d'est en ouest sur une grande partie de la route établie par Coli. Une dépression orageuse est toutefois signalée à hauteur de Terre-Neuve. À la faveur de ces conditions extrêmement favorables, les deux aviateurs décident à 21 heures de tenter la première traversée de l'Atlantique sans escale, au petit jour le lendemain matin. Nungesser est calme et confiant dans son appareil.
L’Oiseau blanc décolle de l'aéroport du Bourget, près de Paris, à 5 h 18. Nungesser a besoin de 900 mètres pour faire décoller les 4 864 kg de l'appareil. Peu après, à hauteur de Gonesse, le train d'atterrissage est largué. C'est l'unique relique confirmée de l'avion ; il est exposé au Musée de l'air et de l'espace du Bourget. Après leur décollage, les aviateurs sont escortés par plusieurs avions, dont l'un est piloté par un employé de Levasseur, Carniaux. Selon son témoignage, Nungesser et Coli ont survolé successivement Enghien, Montmorency, Pontoise, Meulan, Mantes-la-Jolie, Vernon, Elbeuf, Rouen, Duclair, Caudebec-en-Caux, Bolbec et Étretat. À Étretat, à 6 h 48, l'escorte quitte l'Oiseau blanc qui fait cap au 300° vers la côte anglaise. C'est la dernière fois que l'appareil est aperçu avec une certitude absolue. Il vole alors à une altitude comprise entre 200 et 300 m et à une vitesse d'environ 130 à 150 km/h, inférieure aux 185 km/h estimés lors des essais du fait du poids du carburant. Cependant, le vol semble se dérouler normalement. La Manche est couverte d'une légère brume.
À 7 h 45, le commandant du sous-marin britannique H.50 aperçoit un biplan blanc avec des marquages bleu-blanc-rouge sur la dérive volant à une altitude de 300 m, à 20 milles nautiques au sud-ouest de la pointe des Needles, sur l'île de Wight. L'avion est ensuite identifié par un habitant de la ville irlandaise de Dungarvan à 10 h 10, puis par un prêtre de Carrigaholt à 11 heures.
Dans l'après-midi du 9 mai, à New York, une importante foule se rassemble pour assister à l'exploit de Nungesser et Coli. Des dizaines de milliers de personnes se pressent à Battery Park pour embrasser le panorama du port de New York et de la statue de la Liberté où l’Oiseau blanc doit amerrir. Des rumeurs circulent : l'avion aurait été aperçu à Terre-Neuve ou survolant Long Island. Le succès du vol de Nungesser et Coli est annoncé à Paris vers 23 heures à l'Aéro-Club de France. Plusieurs journaux français, dont La Presse, relaient l'information, mais ni l'Oiseau blanc ni ses pilotes ne seront jamais revus. Dans la nuit, des dépêches venant des États-Unis démentent l'arrivée des aviateurs à New York. Les 3 800 litres de carburant embarqués permettent une autonomie de quarante heures ; une fois ce délai écoulé, il faut se rendre à l'évidence : l'appareil et son équipage ont disparu. L'inquiétude qui a germé de part et d'autre de l'Atlantique devant l'absence de nouvelle de Nungesser et Coli laisse la place à la consternation.