Corrie Mckeague 23, baserad på RAF Honington i Suffolk, försvann efter en natt ute i stan för 11 dagar sedan.
Suffolkpolisen sa att de tre ungdomarna mellan 16 och 18 år sågs på Short Brackland kl. 04.20 BST den 24 september.
De kan vara "potentiella vittnen", sa polisen.
För uppdateringar om denna berättelse, besök BBC Suffolk Live
Tillförordnad Supt Kim Warner vädjade till trion: " Vi uppskattar att det kan vara skrämmande att komma i kontakt med polisen, men vi måste tala med dig.
"I detta skede i utredningen behöver vi bara prata med alla som kan ha sett Corrie under hans kväll ute så att vi kan bygga en bild."
En av tonåringarna beskrivs som en vit kvinna, ganska smal byggnad, bär antingen en mörkgrön eller marinblå jumper stil topp.
De andra två var män, en med huva.
De sågs på baksidan av Cornhill Walk köpcentrum, sade polisen.
Agerande Supt Warner tillade: " Vi måste hitta Corrie, och ett antal undersökningar görs för att göra detta.
"Vi vet från CCTV-bilder att vi redan har sett att han har engagerat sig med ett antal personer under kvällen ute.
"Vi har haft flera samtal men fortfarande behöver prata med alla som kan ha sett honom eller talat med honom under de tidiga timmarna."
Mckeague sågs senast på CCTV gå ensam och äta snabbmat i Bury St Edmunds kl. 03.20 den 24 september.
Man tror att han stannade för en kort tupplur i en dörröppning innan han gav sig av för att gå de 15 kilometerna tillbaka till RAF Honingtons bas ensam.
Polisen letar efter en saknad RAF-tjänstman som vill spåra tre tonåringar som sågs i Bury St Edmunds samma dag som han försvann.