Всё началось с захвата четырёх самолётов коммерческих авиалиний, которые направлялись с восточного побережья США в Калифорнию. На борту самолётов был значительный запас топлива; объём топливных баков примерно равен 91 тыс. литров (около 65,5 тыс. кг). Таким образом, реактивные самолёты с пассажирами на борту были использованы в качестве управляемых ракет.

* Первый самолёт «Боинг-767» (Рейс 11 American Airlines, Бостон — Лос-Анджелес) врезался в небоскрёб «Северная башня» в 8:45 по местному времени. На борту был 81 пассажир (из них 5 террористов) и 11 членов экипажа. Удар самолета пришелся между 93-м и 99-м этажами, убив сотни человек, возгоревшееся топливо самолёта подняло температуру до 1000 градусов Цельсия. Столб пламени был таким мощным, что, когда огонь устремился вниз по шахтам лифта, сгорели люди даже в фойе здания. Примерно тысяча человек оказалась в ловушке между 100-м и 107-м этажами[4]. В 10:29 горящая «Северная башня» рухнула.
* Второй самолёт «Боинг-767» (Рейс 175 United Airlines, Бостон — Лос-Анджелес) врезался в «Южную башню» на уровне 77-81 этажей в 9:03 по местному времени. На борту было 56 пассажиров (из них 5 террористов) и 9 членов экипажа. В 9:59 здание рухнуло в огне.
* Третий самолёт «Боинг 757—200» (Рейс 77 American Airlines, Вашингтон — Лос-Анджелес) врезался в Пентагон в 9:40 по местному времени. Погибли 184 человека: 59 пассажиров (из них 5 террористов) и 6 членов экипажа на борту Boeing 757, и 125 военнослужащих и гражданских лиц внутри здания.
* Четвёртый самолёт «Боинг-757» (Рейс 93 United Airlines, Ньюарк — Сан-Франциско) разбился в Пенсильвании в лесу в 125 километрах к югу-востоку от Питтсбурга. На борту было 37 пассажиров (из них 4 террориста) и 7 членов экипажа. Записи «чёрного ящика» и переговоров пассажиров и экипажа с землёй показывают, что террористы спикировали в землю, когда сопротивляющиеся пассажиры попытались ворваться в кабину пилотов.

СМИ сообщали, что некоторые пассажиры и члены экипажа смогли позвонить с мобильных телефонов с борта захваченных самолётов. Эти пассажиры сообщали о нескольких захватчиках на борту каждого из рейсов. Позже ФБР идентифицировало 19 из них, четыре на рейсе 93, и по пять на остальных рейсах. Впрочем, достоверность звонков оспаривается, поскольку возможность позвонить в таких обстоятельствах сомнительна. Многие критики заявляли, что звонки сфабрикованы ФБР (особенное недоверие вызывается звонок сына к матери, начинающийся с фразы: «Мама, это я, Джон Смит», так как сын вряд ли стал бы обращаться к матери, упоминая свою фамилию).

Ни один из тех, кто был на борту захваченных самолётов, не выжил. Число погибших, по официальным данным, 2973 — убитыми, включая 247 на борту самолётов (без учёта 19 террористов), 2602 — в Нью-Йорке в башнях и на земле, и 125 — в Пентагоне. Среди погибших — 343 пожарных Нью-Йорка, 23 офицера полицейского департамента Нью-Йорка и 37 портовых полицейских офицера. Кроме того, 24 человека по прежнему числятся пропавшими без вести.

Помимо 110-этажных башен-близнецов, пять других зданий ВТЦ (включая здание 7 ВТЦ), отель Марриотт, четыре станции подземки, а также здание греческой православной церкви св. Николая, были разрушены либо сильно повреждены. В целом на Манхэттене пострадали 25 зданий, все 7 зданий Всемирного торгового Центра пришлось сравнять с землёй. Позже здание Deutsche Bank Building, стоявшее напротив ВТЦ, также пришлось разрушить, из-за непригодной для существования, токсичной среды внутри офисной башни.