اختطف 19 من تنظيم القاعدة أربع طائرات ركاب تديرها شركتان أمريكيتان رائدتان للنقل الجوي (الخطوط الجوية المتحدة والخطوط الجوية الأمريكية) وغادرت جميعها من مطارات في شمال شرق الولايات المتحدة متجهة إلى كاليفورنيا. اصطدمت طائرتان منها: الخطوط الجوية الأمريكية الرحلة 11 والخطوط الجوية المتحدة الرحلة 175 بالبرجين الشمالي والجنوبي على التوالي لمجمع مركز التجارة العالمي في منطقة مانهاتن السفلى. في غضون ساعة و42 دقيقة انهار كلا البرجين المكونين من 110 طوابق. وتسبب الحطام والحرائق الناتجة عن ذلك بانهيار جزئي أو كامل لجميع المباني الأخرى في مجمع مركز التجارة العالمي، بما في ذلك برج مركز التجارة العالمي 7 المكون من 47 طابقًا، ناهيك عن أضرار كبيرة لحقت بعشر مبانٍ أخرى كبيرة محيطة به. تحطمت طائرة ثالثة هي الخطوط الجوية الأمريكية الرحلة 77 في البنتاغون (مقر وزارة الدفاع الأمريكية) في مقاطعة أرلنغتون بولاية فيرجينيا، ما أدى إلى انهيار جزئي في الجانب الغربي من المبنى. أمّا الطائرة الرابعة ألا وهي الخطوط الجوية المتحدة الرحلة 93 فقد كانت متجهة نحو واشنطن العاصمة، لكنها تحطمت في حقل في بلدية ستونيكريك الواقعة ضمن مقاطعة سومرست بالقرب من شانكسفيل بولاية بنسلفانيا، بعد أن تصدى ركابها للخاطفين وأحبطوهم. تُعتبر هجمات الحادي عشر من سبتمبر الهجوم ذو أكبر عدد من الضحايا في تاريخ البشرية والحادثة الأكثر فتكًا لرجال الإطفاء وضباط إنفاذ القانون في تاريخ الولايات المتحدة، إذ قُتل 343 و72 منهم على التوالي.

سُرعان ما وُجِّهت الشكوك نحو تنظيم القاعدة وردَّت الولايات المتحدة بشن الحرب على الإرهاب وغزو أفغانستان لخلع حركة طالبان التي رفضت الامتثال للمطالب الأمريكية بطرد تنظيم القاعدة من أفغانستان وتسليم زعيمها أسامة بن لادن. عززت بلدان كثيرة حول العالم تشريعاتها لمكافحة الإرهاب ووسعت من سلطات أجهزة الأمن وإنفاذ القانون والاستخبارات لمنع هجمات مماثلة. ورغم إنكار بن لادن في البداية أي تورط له في الهجمات، فقد أعلن في عام 2004 مسؤوليته عنها. ذكر تنظيم القاعدة وبن لادن دوافعهم المتمثلة بالدعم الأمريكي لإسرائيل ووجود القوات الأمريكية في المملكة العربية السعودية والعقوبات المفروضة على العراق. بعد التملص من الاعتقال لمدة عقد من الزمان تقريبًا، كان بن لادن موجودًا في باكستان وقُتل على يد «فريق سيل 6» التابع للبحرية الأمريكية في مايو 2011 أثناء فترة إدارة الرئيس أوباما.

تدمير مركز التجارة العالمي والهياكل الأساسية المجاورة أضرَّ اقتصاد مدينة نيويورك بصورة حادّة وكان ذو أثر كبير على الأسواق العالمية. أُغلق شارع وول ستريت حتى 17 سبتمبر بالإضافة إلى المجال الجوي للطائرات المدنية الأمريكية والكندية حتّى 13 سبتمبر. تَبع ذلك العديد من الإغلاقات والإجلاءات والإلغاءات من باب الاحترام والعزاء أو خوفًا من وقوع المزيد من الهجمات. جرى استكمال تنظيف موقع مركز التجارة العالمي في مايو 2002، ورُمِّم مبنى البنتاغون في غضون عام. بدأ تشييد مركز التجارة العالمي 1 في نوفمبر 2006، وافتُتح المبنى في نوفمبر 2014. شُيدت العديد من النُصب التذكارية، بما في ذلك النصب التذكاري والمتحف الوطني لأحداث 11 سبتمبر في مدينة نيويورك، ونصب البنتاغون التذكاري في مقاطعة أرلينغتون (فرجينيا)، والنصب التذكاري الوطني للرحلة 93 في موقع التحطم بالقرب من شانكسفيل.

استنادًا إلى محتويات «الـ28 صفحة» المنقحة من تقرير ديسمبر 2002 حول «التحقيق المشترك في أنشطة مجتمع الاستخبارات قبل وبعد تلك الهجمات في 11 سبتمبر 2001»، ادّعى اثنان من أعضاء مجلس الشيوخ السابقين أن الحكومة السعودية كانت متورطة في الهجمات. وتحتوي هذه الصفحات على معلومات متعلقة بالمساعدة المادية والمالية التي قدمها المسؤولون السعوديون للخاطفين والشركات التابعة لهم قبل الهجمات.

نتيجة للهجمات، دخلت الولايات المتحدة في حالة طوارئ وطنية منذ عام 2001.