Kell 8.46 kohaliku aja järgi juhtis viis kaaperdajat American Airlinesi lennu number 11 New Yorgi Maailma Kaubanduskeskuse põhjatorni (1 WTC) ja kell 9.03 rammis veel viis kaaperdajat United Airlines lennuga number 175 lõunatorni (2 WTC).

Veel viis kaaperdajat lendasid kell 9.37 American Airlines lennuga number 77 USA kaitseministeeriumi hoonesse Pentagoni. Neljas lennuk, United Airlinesi lend number 93, mida kontrollisid neli kaaperdajat, kukkus kell 10.03 alla Pennsylvania osariigis Shanksville'i lähedal pärast reisijate ja kaaperdajate võitlust. Arvatakse, et see lennuk kavatseti juhtida kas Kapitooliumile või Valgesse Majja. Kui kaaperdajad mõistsid, et reisijad võivad nende käest kontrolli üle võtta, juhtis üks neist lennuki meelega vastu maad.

Kaaperdajad pussitasid piloodid, lennusaatjad ja mõned reisijad surnuks. Mõnede väidete kohaselt olid kaaperdajatel ka pommid, kuid üks reisija pidas pomme võltsinguteks. Föderaalne juurdlusbüroo FBI ei leidnud sündmuspaikadelt aga lõhkeainetest mingeid jälgi.

Maailma kaubanduskeskuse kompleksis varises kokku kolm hoonet. Lõunatorn kukkus kokku kell 9.59 pärast 56-minutilist põlemist, põhjatorn kell 10.28 pärast 102-minutilist põlemist. Põhjatorni rusud kukkusid Maailma Kaubanduskeskuse 7. hoone peale, põhjustades sealgi tulekahju, mille tulemusena hoone kell 17.21 kokku varises.

Kõik lennud USA mandriosas tühistati ning juba õhus olevatele lennukitele anti käsk viivitamatult maanduda. Rahvusvaheline tsiviillennuliiklus suunati kas tagasi või Kanada ja Mehhiko lennuväljadele. Välisriikide lennukitel oli kolm päeva keelatud USA-s maanduda.

Rünnaku üks organiseerijatest, Khalid Sheikh Mohammed ütles 2002. aasta septembris, et al-Qaida kavatses alguses rünnata USA tuumarajatisi, mitte Maailma Kaubanduskeskust ja Pentagoni, kuid mõtles ümber, kartes, et asjad võivad käest ära minna. Lõplik otsus sihtmärkide kohta jäeti Mohammedi sõnul pilootide teha.