Kraschen inträffade runt klockan 11 på söndagen, lokal tid. Militärflyget hade 23 amerikanska marinkårssoldater ombord.
"Tre personer har bekräftats omkomna medan fem har skadats allvarligt och transporterats till Royal Darwin Hospital," säger en talesperson för USA:s marinkår i ett uttalande, enligt AFP.
En utredning av orsaken till kraschen har inletts.
Många skadade
Övriga personer som var ombord på militärflyget vårdas på plats, enligt Michael Murphy, lokal polischef.
Australiens premiärminister Anthony Albanese beskriver händelsen som tragisk och säger att myndigheter fortfarande försöker förstå vad som har skett.
– Vi vill försäkra oss om att all information som lämnas ut är helt korrekt, säger han.
Skedde under övning
Militärflyget, ett så kallat tiltrotorflygplan av typen V-22 Osprey, deltog i övningar nära Tiwi-öarna norr om staden Darwin i norra Australien.
Förutom USA deltar militär från bland annat Australien, Indonesien och Filippinerna i övningen.
I mars förra året omkom fyra amerikanska soldater i Norge under en Natoövning, när ett annat V-22 Osprey-plan störtade.