Angreppet hade tidigare ansetts ha varit en spontan reaktion på protester mot en anti-islamisk film.
USA:s president Barack Obama har kallat Egyptens och Libyens presidenter för att uppmana till samarbete om säkerhet för diplomatisk personal.
Det har förekommit ytterligare sammandrabbningar utanför USA:s ambassad i Kairo över en natt.
Tusentals människor samlades utanför byggnaden i den egyptiska huvudstaden och sjöng och startade bränder.
Polisen och trupperna avfyrade tårgas för att splittra folkmassorna, av vilka några sågs bära bensinbomber.
På onsdagen hade demonstranterna i Kairo, arga på filmen - muslimernas Oskuld - brutit igenom den amerikanska ambassadens murar och rivit ner flaggan.
President Barack Obama har lovat att ställa dem bakom attacken inför rätta, men sade att USA inte skulle "bryta obligationer" med den nya libyska regeringen.
Vita huset säger att Barack Obama talade med Libyens president Mohamed Magarief på onsdag kväll och kom överens om att de två länderna bör samarbeta för att identifiera angriparna.
I ytterligare en uppmaning till Egypten lovade president Mohammed Morsi att garantera säkerheten för amerikansk personal i landet, sade Vita huset.
Säkerheten har skärpts på amerikanska ambassader över hela världen.
Ett marint antiterroristteam utplaceras till Libyen för att stärka säkerheten där, en amerikansk försvarskälla berättade reportrar i Washington.
USA säger att det också skickar två jagare till Libyens kust som en försiktighetsåtgärd.
Beväpnade män stormade konsulatet i staden Benghazi på tisdag kväll.
Man tror att ambassadör J Christopher Stevens dog av rökinandning. Tre andra amerikaner och upp till 10 libyer dog också i attacken.
Tjänstemän har nu sagt att attacken var komplicerad och professionell, och rapporter tyder på att förövarna kan ha haft kopplingar till jihadistiska grupper.
Av Mark MardellNorth America redaktör
En högre amerikansk tjänsteman citerad av AFP nyhetsbyrå sade Benghazi angriparna verkade ha använt demonstrationerna som en förevändning för att iscensätta ett angrepp.
"Detta var en komplicerad attack", berättade han för nyhetsbyrån. "De verkade ha använt detta [protest] som en möjlighet."
Amerikanska tjänstemän berättade för Reuters nyhetsbyrå att det fanns misstankar om att en milis som kallas Ansar al-Sharia brigad var ansvarig, även om gruppen har förnekat påståendet.
De sa att det också fanns rapporter om att al-Qaidas nordafrikabaserade affiliate, al-Qaida i Islamiska Maghreb, kan ha varit inblandade, nyhetsbyrån rapporterar.
Konsulatet började ta tung eld vid omkring 22:00 lokal tid (20:00 GMT) på tisdag kväll, och huvudbyggnaden låg i lågor strax efteråt.
Libyska och amerikanska säkerhetsstyrkor försökte återta föreningen flera gånger, sade amerikanska tjänstemän, men lyckades bara tidigt på onsdag.
En av amerikanerna som dödades var Sean Smith, en anställd från UD. De andra offren har ännu inte identifierats.
Sjuttonåriga Hamam, som deltog i attacken, berättade för Reuters att Ansar al-Sharia bilar hade anlänt i början av protesten men senare lämnade.
Genom PJ CrowleyFormer USA Biträdande statssekreterare
Utsikter: Libyens dödsfall är ingen överraskning
"Demonstrationerna sprang runt i området bara letar efter amerikaner, de ville bara hitta en amerikan så att de kunde fånga en," sade han.
"Vi började skjuta på dem, och sedan kastade några andra också handgjorda bomber över stängslet och startade bränderna i byggnaderna."
Man vet inte mycket om filmens ursprung, däribland om en man som heter Sam Bacile, som uppges ligga bakom dess produktion.
BBC reportrar som undersökte hans bakgrund på onsdag kunde inte bekräfta personuppgifter.
Egyptens koptiska kyrka har utfärdat ett uttalande som fördömer produktionen, efter rapporter om att vissa kopter i USA hade finansierat filmen.
Dödsrunan: J Christopher Stevens
I bilder: Amerikanska filmprotester
Filmintrång i media
Libyens tjänstemän har fördömt attacken och lovat att undersöka den.
En tillfällig ledare, Mohammed Magarief, bad USA om ursäkt och tillade: "Vi förväntar oss att resten av världen ska hjälpa oss att möta dessa fega brottsliga handlingar."
President Obama talade i Rose Garden i Vita huset på onsdag, berömde ambassadören för sitt arbete i Libyen efter störtandet av den avlidne överste Muammar Gaddafi.
Han sade att det var "särskilt tragiskt att Chris Stevens dog i Benghazi eftersom det är en stad som han hjälpte till att rädda".
USA undersöker om attacken i Libyen som dödade USA:s ambassadör och flera andra personer planerades i förväg, säger tjänstemän.