מספר נוסעים ביצעו שיחות טלפון ליקיריהם והעבירו להם מידע לגבי החטיפה ללא ידיעת החוטפים. שתי נשים בטיסה 77 יצרו קשר עם הקרקע, האחת נוסעת והאחת דיילת. הדיילת רנה מאי התקשרה לאמה בשעה 09:12, ננסי מאי, בלאס וגאס. במהלך השיחה, שנמשכה כשתי דקות, מאי אמרה שהטיסה שלה נחטפה על ידי שישה אנשים וכי כולם הועברו לאחורי המטוס. מאי ביקשה מאמה לפנות לאמריקן איירליינס וזו ובעלה עשו זאת מיד. בנקודה זו כבר ידעה חברת התעופה על החטיפה. בין 09:16 ו-09:26, התקשרה הנוסעת ברברה אולסון לבעלה, פרקליט המדינה טד אולסון, ודיווחה לו כי המטוס נחטף וכי ברשות החוטפים היו סכינים. היא סיפרה כי הנוסעים הועברו לחלק האחורי של המטוס וכי החוטפים אינם מודעים לשיחה שביצעה. דקה מתחילת השיחה, השיחה התנתקה. טד אולסון פנה למרכז הפיקוד של מחלקת המשפטים, וניסה ליצור קשר עם התובע הכללי ג'ון אשקרופט, אך לשווא. כחמש דקות מאוחר יותר התקשרה שוב אשתו מהמטוס וסיפרה לבעלה שהטייס הודיע על החטיפה ברמקול. לאחר מכן שאלה אותו "מה עלי לומר לטייס לעשות?". בעלה שאל אותה לגבי מיקומה, והיא דיווחה לו שהמטוס טס מעל שטח בנוי. בנקודה זו סיפר לה על מה שאירע במרכז הסחר העולמי. לאחר מכן השיחה התנתקה.
הרדאר של דאלאס זיהה שוב את המטוס כשהוא החל להתקרב לוושינגטון, פונה ומנמיך גובה במהירות. פקחי הטיסה חשבו בתחילה שמדובר במטוס קרב, בגלל המהירות הגבוהה וכושר התמרון שלו. פקחי טיסה בנמל התעופה רייגן ביקשו ממטוס חולף, שהיה שייך למשמר הלאומי האמריקאי, לזהות את המטוס ולעקוב אחריו. הטייס, סגן-אלוף סטיבן אובריין, סיפר להם שמדובר בבואינג 757 או 767 וכי ככל הנראה מדובר במטוס של אמריקן איירליינס על פי הצבע הכסוף של המטוס. היה לו קושי להבחין במטוס בערפל אך לבסוף הבחין בכדור אש גדול והבין שהמטוס פגע בקרקע. כשהתקרב לפנטגון הצליח לראות את אזור הפגיעה בצד המערבי של המבנה ועל כך דיווח למרכז הבקרה רייגן: "נראה שהמטוס התנגש בפנטגון, אדוני".
הפגיעה.
טיסה 77 פגעה בחזית המערבית של הפנטגון במחוז ארלינגטון שבווירג'יניה, במהירות 853 קמ"ש, בשעה 09:37:44. בפגיעה נהרגו באופן מיידי 53 נוסעים, 5 חוטפים, ו-6 אנשי צוות. המטוס עקר מספר פנסי רחוב והכנף הימנית פגעה בגנרטור נייד לפני שפגע במבנה הפנטגון. המטוס התנגש בקומה הראשונה כשהוא מוטה מעט לכיוון שמאל, כאשר הכנף הימנית מוגבהת. כשהמטוס פגע במבנה, החלק הקדמי של גוף המטוס התפורר, בעוד החלק האמצעי והאחורי המשיכו לעוף קדימה חלקיק שנייה נוסף. שרידים של הזנב נכנסו עמוק לתוך המבנה. בתוך שמונה עשיריות השנייה חדר המטוס כולו לתוך שלוש הטבעות החיצוניות של המבנה ושחרר כדור אש שעלה מעל לבניין.
בזמן הפיגועים עבדו בפנטגון כ-18,000 בני אדם, 4,000 איש פחות מבדרך כלל עקב שיפוצים שהחלו בשנת 1998 וטרם הסתיימו עד שנת 2001. קטע זה של הפנטגון, אשר שופץ לאחרונה בעלות של 250 מיליון דולר, שימש את מרכז הפיקוד הימי ומשרדים נוספים. חלק מהמשרדים היו פנויים. המטוס והאש שפרצה בעקבותיו חדרו דרך שלוש טבעות חיצוניות בצד המערבי. הטבעת החיצונית ביותר ניזוקה קשות וקטע גדול ממנה התמוטט. 125 עובדים נהרגו בעקבות הפגיעה.
בסך הכל נהרגו בתקרית 189 איש. הנוסעת ברברה אולסון הייתה בדרכה להקלטה של התוכנית "אי-תקינות פוליטית" עם ביל מאהר. קבוצה של ילדים, המלווים שלהם, ואנשי נשיונל ג'יאוגרפיק היו גם הם על המטוס, בדרכם לטיול חינוכי בשמורת טבע על יד סנטה ברברה שבקליפורניה. בין ההרוגים בפנטגון היו 55 אנשי צבא ו-70 אזרחים. מתוך 125 האנשים שנהרגו, 92 היו בקומה הראשונה, 31 היו בקומה השנייה, ושניים היו בשלישית. הצבא סבל מ-75 נפגעים - הרבה יותר מאשר בכל ענף אחר. 106 איש נפגעו והועברו לבית חולים באזור. לוטננט גנרל (3 כוכבים) טימותי מוד מצבא ארצות הברית היה קצין הצבא הבכיר ביותר שנהרג באירוע.
לצד הפנטגון עובר כביש בין-ארצי מספר 395, בצד שבו התרחשה הפגיעה. הנהג מארי ליימן, שנהג על כביש זה, ראה את המטוס עובר מעליו ב"זווית תלולה לכיוון הקרקע ובמהירות גבוהה", ואז ראה את ענן העשן מהפנטגון. עומר קמפו, עד ראייה נוסף, היה בצד השני של הכביש כאשר המטוס טס מעל ראשו. "גזמתי את הדשא והוא הגיע בזעקה מעל הראש שלי. הרגשתי את הפגיעה. כל האדמה רעדה וכל האזור התמלא באש. לעולם לא דיימנתי שאראה דבר כזה קורה כאן". אפוורק האגוס, מתכנת מחשבים, היה תקוע בפקק תנועה בדרכו לעבודה בסמוך לפנטגון כאשר המטוס עבר מעליו. "היה רעש עצום ויצאתי מהרכב כשהמטוס עבר מעלי. כולם ברחו בכיוונים שונים. המטוס הטה את כנפיו למעלה ולמטה כאילו ניסה לשמור על איזון. הוא פגע במספר פנסי רחוב בדרך למטה". דרל דונלי חזה במתרחש וצילם את התמונות הראשונות שלאחר ההתנגשות.
הכתב מייק וולטר מעיתון USA Today נהג על שדרת וושינגטון כשחזה בפגיעה. "הבטתי מחוץ לחלון וראיתי את המטוס, את הסילון, סילון של אמריקן איירליינס, מגיע. חשבתי, 'זה לא הגיוני, זה ממש נמוך'. ואני ראיתי את זה. אני מתכוון שזה היה כמו טיל שיוט עם כנפיים. הוא הלך ישר לשם והתנגש ישר בתוך הפנטגון". טרנס קיין, שגר בבית דירות סמוך, שמע את הרעש החזק של מנועי הסילון, הביט מחוץ לחלונו וראה "מטוס נוסעים נורא, נורא גדול". הוא צפה במטוס "פשוט נכנס בתוך הפנטגון. האף חדר לתוך הבניין. ואז הוא די נעלם, והיה אש ועשן בכל מקום".
חילוץ והתאוששות.
מאמצי החילוץ החלו מיד לאחר הפגיעה. כמעט כל הניצולים חולצו בתוך חצי שעה מרגע הפגיעה. בתחילה, בראש מאמצי החילוץ עמדו הצבא ועובדים אזרחיים בתוך הבניין. בתוך דקות הגיעו למקום הכבאיות הראשונות והם מצאו את המתנדבים הללו קרוב לאזור הפגיעה. הכבאים הורו להם לעזוב כיוון שלא היו מצוידים כראוי או מאומנים להתמודד עם המפגעים. מכבי האש של מחוז ארלינגטון לקחו פיקוד על מבצע ההצלה בתוך עשר דקות מרגע הפגיעה. כבאים מפורט מאייר ורייגן נשיונל הגיעו בתוך דקות. מאמצי החילוץ והכבאות עוכבו בשל שמועות על מטוסים עוינים נוספים באזור. מפקד מחלקת מכבי האש בארלינגטון הורה על שני פינויים במהלך היום בעקבות שמועות אלה.
בזמן שהכבאים ניסו לכבות את השריפות, הם בחנו את הבניין מחשש לקיומו של כשל מבני העשוי לגרום להתמוטטות. אחד הכבאים ציין כי הם "די בטוחים שהמבנה עומד להתמוטט מכיוון שהוא התחיל להשמיע רעשי חריקה מוזרים". לאחר שהבחינו בעמוד תומך זז, הורו על פינוי. דקות אחדות לאחר מכן, בשעה 10:15, אחת הקומות העליונות של האזור הפגוע התמוטטה. גובה האזור שהתמוטט היה 29 מ' ועומקו היה 15 מ'. הזמן שעבר מהפגיעה ועד ההתמוטטות איפשר לכל מי שנמצא בקומות הרביעית והחמישית לפנות את המבנה בביטחה. לאחר ההתמוטטות החלה האש להתפשט בכל חמש הקומות ולהתגבר. אחרי 11:00, החלו הכבאים במתקפה דו-צדדית נגד השריפות. גורמים רשמיים מעריכים כי הטמפרטורות הגיעו ל-1,090 מעלות צלזיוס. בעוד שהמאמץ לכיבוי השריפות הפנימיות החל לשאת פרי עד אחרי הצהריים, הכבאים הבחינו כי שכבת עץ דליקה מהגג ניצתה והחלה להתפשט. שיטות כיבוי אש מסורתיות כשלו אל מול המבנה המזוין, לאחר שהכבאים לא הצליחו להגיע למוקד האש על מנת לכבותו. במקום זאת, הכבאים פרצו חורים בגג על מנת למנוע את התפשטות האש. בשעה 18:00 ב-12 לחודש, יצא מחוז ארלינגטון בהודעה לעיתונות וקבעה שהאש נמצאת תחת שליטה אך טרם כובתה. הכבאים המשיכו לכבות שריפות קטנות שהתלקחו בימים הבאים.
חלקים של המטוס נמצאו בחצר הפנטגון. בזמן שפינו את המבנה, נתקל סגן קווין שייפר באף המטוס ובכן הנחיתה בכביש השירות שבין טבעת B לטבעת C. בשעות הבוקר המוקדמות ביום שישי ה-14 בספטמבר נמצא כיסא תא הטייס בשלמותו בזמן שה-FBI והחוקרים מצאו את הקופסאות השחורות כ-91 מ' בתוך המבנה. הקופסה עם הקלטות האודיו של תא הטייס ניזוקה ולא ניתן היה לשחזר ממנה נתונים, ומאידך הקופסה שרשמה את נתוני הטיסה הייתה קריאה והחוקרים נעזרו בה לפענוח הרגעים האחרונים. בנוסף לשרידי המטוס, מצאו החוקרים גם תג זיהוי ששייך היה לננוואף אל-חזמי, חפצים אישיים של הנוסעים ושל עובדי הבניין.
שרידים.
מהנדסים צבאיים קבעו בשעה 17:30 ביום הראשון כי אף אחד לא נותר בחיים בחלק הפגוע של הבניין. בימים שלאחר הפגיעה, דיווחו צוותי החדשות על עד 800 הרוגים. כוחות צבאיים מפורט בלוויר היו הראשונים לסקור את המבנה הפנימי של האזור הפגוע ולדווח על קיומם של חלקי גופות. צוותי חילוץ והצלה בסוכנות הפדרלית לטיפול במצבי חירום (FEMA), כולל צוותים ממחוז פיירפקס, סייעו בחיפוש חלקי גופות. קווין רימרוט, צלם של חיל הים שסקר את האזור הפגוע, ציין כי "היו שם כל כך הרבה גופות, שכמעט דרכתי עליהם. הייתי חייב להסתכל לאחור כשאני צועד אחורנית בחושך, מביט עם פנס, מוודא שאני לא דורך על מישהו". פסולת בניין נלקחה למגרש החנייה הצפוני של הפנטגון לבחינה מדוקדקת למציאת חלקי גופות וראיות אחרות.