שלושה בניינים בקומפלקס מרכז הסחר התמוטטו עקב כשלים מבניים. שני מגדלי התאומים, שבהם השתוללו שריפות עזות אשר החלישו את יסודות המתכת שלהם, קרסו בזה אחר זה. המגדל הדרומי קרס בשעה 9:59 לאחר שבערה בו שרפה במשך 56 דקות (טיסה 175 פגעה בו בשעה 9:03). המגדל הצפוני, אף על פי שהיה הראשון שנפגע בשעה 8:46, קרס בשעה 10:28 לאחר בעירה במשך 102 דקות. ההערכות הראשוניות היו שהמגדלים לא יקרסו לגמרי, ולכן זרמו למקום כבאים וכוחות הצלה רבים, שעם קריסת הבניינים נמנו עם הנספים. קריסת המגדלים הותירה אחריה הרס רב באזור נרחב למדי ברחבי העיר ניו יורק ובמיוחד במרכז הסחר העולמי, שנהרס לחלוטין. בניין מרכז הסחר העולמי 3 (בו שכן מלון מריוט) ניזוק בצורה קשה עם התמוטטותם של מגדלי התאומים. בניין מרכז הסחר העולמי 7, מבנה בן 47 קומות, נפגע קשה מהריסות המגדלים, וקרס בשעה 17:20 לאחר ששריפות שפרצו בו החלישו את שלמות המבנה. היה זה גורד השחקים הראשון בהיסטוריה שקרס בגלל אש. מבנה הפנטגון נפגע בחלקו, וחלק גדול מאגפו המערבי התמוטט כחצי שעה לאחר הפגיעה.
בשעה 9:40, ה-FAA, רשות התעופה הפדרלית האמריקאית, קרקעה את כל כלי הטיס שבארצות הברית, סגרה את המרחב האווירי של ארצות הברית והורתה לכל כלי טיס שכבר נמצא באוויר לנחות מיידית מבלי להגיע ליעדו, מתוך הנחה שמטוס שלא יציית להוראות נמצא בשליטת חוטפים. חיל האוויר האמריקאי הונחה לשגר מטוסי קרב אל כל המטוסים החשודים בשיא המהירות. בבסיס אנדרוס שבמרילנד הוקפצו שני טייסי F-16 - מארק ססוויל והת'ר פני - ליירט את טיסה 93. מפני שארצות הברית לא הייתה במצב מלחמה, המטוסים לא היו חמושים. הטייסים הוזנקו בידיעה שיהיה עליהם לעצור את המטוס בכל מחיר. ואולם, עד שהם הגיעו, הצליחו נוסעי טיסה 93 להכריע את החוטפים והמטוס התרסק בשדה בפנסילבניה.
כל הטיסות הבינלאומיות שהיו אמורות לנחות בארצות הברית חזרו לנמל התעופה שממנו המריאו, או פנו לנמלי תעופה בקנדה ובמקסיקו. בשלושת הימים שלאחר הפיגוע היו שמי המדינה נקיים ממטוסים אזרחיים ורק מטוסי קרב חלפו בהם מדי פעם. חוסר הידיעה בעקבות ההתקפות גרמה לבלבול ולחרדה בקרב גופי התקשורת השונים. דיווחים כוזבים וסותרים רבים, שניזונו בעיקר משמועות לא מבוססות, שודרו באותו יום, והמרכזי שבהם היה על מכונית תופת שהתפוצצה בבניין מחלקת המדינה ("משרד החוץ" האמריקאי) בוושינגטון. הבלבול אחז גם בפקחי הטיסה, כשמטוס נוסף – טיסה 1989 של דלתא איירליינס – לא הגיב בקשר, ונחשד שנחטף, עד שענה לקריאות אליו.
בראיון שנערך בשנת 2002 עם מתכנני הפיגועים, ח'אלד שיח' מוחמד ורמזי בין אל-שיב, אימתו השניים שמטרת המטוס הרביעי – טיסה 93 – הייתה להתרסק בבניין הקפיטול ולא בבית הלבן. בעת תכנון הפיגועים, מוחמד עטא (שבסופו של דבר חטף והטיס את טיסה 11), טען שהבית הלבן יהיה מטרה קשה מדי. כמו כן אמר עטא שהכוונה בתחילה הייתה לרסק את המטוסים אל תוך אתרים גרעיניים, אך מתוך חשש ש"העניינים ייצאו משליטה" הוחלט לבסוף על מרכז הסחר והפנטגון.
מכניקת ההתרסקות.
כל אחד ממגדלי התאומים תוכנן לשרוד פגיעה ישירה של מטוס בואינג 707. עם זאת, יכולת החישוב בעת תכנון המגדלים (שנות ה-60) הייתה מוגבלת, וכנראה לא לקחה בחשבון פגיעה מכוונת במהירות גבוהה, עם מכלי דלק מלאים. בנוסף, המטוסים שהתרסקו לתוך המגדלים, מדגם בואינג 767, גדולים ב-20% מבואינג 707. מיד לאחר הפגיעה אכן נותרו המגדלים עומדים, והם קרסו כתוצאה מהתמוטטות פרוגרסיבית רק לאחר עשרות דקות – הבניין הראשון, מרכז הסחר העולמי 1, קרס כ-102 דקות לאחר פגיעת המטוס, והשני, מרכז הסחר העולמי 2, כ-56 דקות לאחר הפגיעה בו. קריסת הבניין הראשון ארכה 11 שניות, וזו של השני 9 שניות.
ועדות שחקרו את הסיבה לקריסת הבניינים קבעו כי בעת פגיעת המטוסים בבניינים אירעו מספר תהליכים קריטיים: פגיעת המטוסים הסירה את הבידוד התרמי מעל קורות פלדה רבות, שברה עמודי תמיכה, גרמה לחלוקת עומס שונה מהמתוכנן בין עמודי התמיכה הנותרים, והביאה לתבערה גדולה לאחר שדלק רב מאוד נשפך מהמטוסים והתלקח. מערכות כיבוי האש בבניין לא היו מסוגלות להתמודד עם שרפה גדולה כל כך, והמתזים בחלק מהקומות שבהן בערה האש לא פעלו, משום שהתנגשות המטוסים שברה את הצינורות שהוליכו מי כיבוי לקומות הגבוהות. קורות הפלדה שאיבדו את הבידוד התרמי נחשפו לדלק הבוער והתחממו לטמפרטורות גבוהות מאוד, לפי ההערכות כ-700 מעלות צלזיוס או יותר. כאשר פלדה מתחממת כל כך, היא מאבדת כ-85% מהחוזק שלה. הפלדה אמנם לא הותכה כתוצאה מהחום הרב, אך נחלשה מדי ולא יכלה לעמוד במשקל הבניין. כתוצאה מכך, חלק הבניין שמעל מקום הפגיעה החל לקרוס מטה כשהוא מרסק בדרכו את כל הקומות שתחתיו – עד לקרקע, תוך כדי יצירת ענני אבק גדולים אשר אפפו את כל מנהטן תחתית.
מניין הקורבנות.
פעולות הטרור הללו גבו את חייהם של 2,977 קורבנות ועוד 19 מחבלים. בכלל הקורבנות נמנים 246 נוסעי ארבעת המטוסים (לא היה אף ניצול), 2,606 בעיר ניו-יורק - במגדלים וסביבם, ועוד 125 בפנטגון. בין ההרוגים נמנים 55 אנשי צבא שנהרגו בפנטגון, כל שאר ההרוגים היו אזרחים. יותר מ-90 מדינות בעולם איבדו אזרחים בהתקפה על מרכז הסחר העולמי.
יותר מ-90% מהעובדים והמבקרים שמתו במגדלים שהו בעת הפגיעה מעל נקודת הפגיעה של המטוס במגדל. במגדל הצפוני, 1,355 אנשים נלכדו בנקודת הפגיעה או מעליה, ומצאו את מותם בשאיפת עשן, או שקפצו או נפלו מהמגדל על מנת לברוח מהלהבות והעשן, או שנמחצו בקריסה הסופית של המגדל. בעת פגיעת טיסה 11 במגדל קרסו שלושת גרמי המדרגות, כך שבריחה מהמגדל הייתה בלתי אפשרית. מתוך כלל האנשים ששהו במגדל מתחת לנקודת הפגיעה של המטוס, נהרגו 107 אנשים.
במגדל הדרומי, גרם מדרגות אחד לא נפגע כתוצאה מפגיעת המטוס (טיסה 175), ודרכו ניצלו חייהם של 14 אנשים ששהו בקומות בהן פגע המטוס ישירות (כולל חייו של אדם אחד שראה את המטוס מגיע לעברו) ושל עוד ארבעה שהיו בקומות מעל פגיעת המטוס. מוקדנים בשירות שיחות החירום 911 שקיבלו שיחות מאנשים שהיו לכודים במגדל לא היו מעודכנים במצב עקב קצב האירועים המהיר וכתוצאה מכך עדיין הורו למתקשרים שלא לנסות לרדת מהמגדל עצמאית. במגדל הדרומי נהרגו 630 אנשים, כמעט מחצית מכמות ההרוגים במגדל הצפוני. הסיבה לכך היא שהמגדל הצפוני נפגע 17 דקות לפני המגדל הדרומי. עם הפגיעה במגדל הצפוני, החלו גם אנשי המגדל הדרומי להתפנות, ובכך הצילו את חייהם.
לפחות 200 אנשים נפלו או קפצו אל מותם מהמגדלים הבוערים (כפי שמוצג בתצלום "האדם הנופל"), ופגעו בקרקע או בגג מבנים סמוכים מאות מטרים מתחתם. היו מהלכודים מעל לנקודת הפגיעה של המטוס שעלו לגג המגדלים, בתקווה לפינוי מוסק, אך דלת הגישה לגג הייתה נעולה. בכל מקרה, העשן הסמיך והחום הכבד מנעו ממסוקים להתקרב לאזור. בנוסף, 411 עובדי שירותי החירום נהרגו כשניסו להציל אנשים לכודים ולהילחם בשריפות שהשתוללו באזור. מכבי האש של ניו יורק איבדו 340 כבאים, קצין דת אחד ושני פרמדיקים. משטרת ניו יורק איבדה 23 שוטרים ומשטרת התנועה של ניו יורק איבדה 37 שוטרים. שמונה מגישי עזרה ראשונה, חובשים ופרמדקים נהרגו אף הם. 658 מההרוגים עבדו בחברת "קאנטור פיצג'רלד", בנק השקעות ששכן בקומות 101–105 של המגדל הצפוני, הרבה יותר מכל חברה אחרת. המכון הלאומי לתקנים ולטכנולוגיה האמריקאי מעריך שבעת פגיעת המטוסים שהו במרכז הסחר העולמי כ-17,400 אנשים. רובם המוחלט של האנשים שהיו בקומות מתחת לאזור פגיעת המטוס פונו בבטחה מהמגדלים.
שבועות מספר לאחר הפיגוע, מניין ההרוגים הוערך בכיותר מ-6,000, יותר מכפול מהמספר שאושר לבסוף. רק 1,600 מהקורבנות זוהו בוודאות. הכוחות הרפואיים אספו בסביבות 10,000 חלקי עצם ורקמות לא מזוהים מאתר הפיגוע. חלקי עצמות המשיכו להתגלות עד לשנת 2006. בשנת 2010, צוות של אנתרופולוגים וארכאולוגים חיפשו אחר שרידים אנושיים או חפצים אישיים בפארק פרש קילז, המזבלה העירונית אליה נלקחו הריסות הבניינים. הודות למאמץ זה נמצאו עוד 72 חלקי גופות ולזיהוי של 1,845 קורבנות ביולי 2011, קבוצת מדענים ניסתה לזהות הרוגים נוספים באמצעות טכנולוגיית תהליך זיהוי של DNA. נכון למרץ 2015, 1,640 קורבנות זוהו, בעוד ש-1,113 (41%) קורבנות עדיין לא זוהו. חלקי גופותיהם נטמנו במתחם הזיכרון וההנצחה לרגלי המגדל החדש שנבנו במקום.
פעולות החילוץ.
מאתיים יחידות של מחלקת כיבוי האש של העיר ניו יורק (כמחצית הכוח של המחלקה) התפרסו במהירות באזור המגדלים זמן קצר לאחר תחילת המתקפה. לכוח נוספו גם מספר חובשים וכבאים שהגיעו למקום אף על פי שלא היו בתפקיד באותו יום. משטרת העיר ניו יורק ומחלקת המשטרה של רשות הנמל, התפרסו גם הם במערך חירום מיוחד. מרגע הגעתם למקום, שלושת הגופים הללו לא תיאמו ביניהם את פעולותיהם, והתרכזו בביצוע פעולות הצלה אקראיות. לאחר שמצב המגדלים הלך והחמיר, ניתנה הוראה לקציני משטרת ניו יורק להוציא את כוחותיהם מהבניינים במהירות, ומרבית השוטרים הספיקו לצאת מהמגדלים בבטחה טרם קריסתם. עמדות פיקוד נפרדות ותקשורת רדיו משובשת גרמה לכך שהודעת הפינוי לא הועברה לקציני מחלקת כיבוי האש. רק לאחר קריסת המגדל הראשון הועברה הודעת הפינוי גם לכוחות הכבאים, אולם עקב כשלים טכניים וציוד תקשורת מקולקל, רבים לא קיבלו את ההודעה. מסיבה זו מספר הכבאים שנהרגו בפיגועים הוא הגבוה ביותר מבין כל הקורבנות של גופי שירותי החירום השונים שפעלו באותו יום. מוקדני החירום (911) קיבלו מידע חשוב מהמתקשרים אך רובו הגדול לא עבר לידיעתם של המפקדים בשטח.