לאחר הפיגועים עלו אחוזי התמיכה בנשיא בוש ל-90%. ב-20 בספטמבר 2001 בוש נשא נאום לאומה במהלך ישיבה משותפת של שני בתי הקונגרס, בה הכריז על מלחמת חורמה בטרור העולמי, והציב בפני שלטון הטליבאן באפגניסטן אולטימטום בדרישה להסגיר את אוסאמה בן לאדן ואת כל אנשי אל-קאעידה שהיו אחראים לפיגועים. כמו כן בלט בתפקידו ראש העיר ניו יורק רודי ג'וליאני, שעל הדרך בה טיפל וניהל את העיר במהלך האירועים קיבל שבחים רבים, הן בניו יורק והן ברחבי המדינה. ג'וליאני אף נבחר ל"איש השנה" של מגזין TIME. קרנות סיוע רבות קמו מיד כדי לעזור לקורבנות הפיגועים, כשהמטרה העיקרית הייתה להעניק סיוע כלכלי לניצולי הפיגועים ולמשפחות הקורבנות. קרנות ועמותות הסיוע טיפלו ביותר מ-2,833 משפחות של קורבנות.
בשינוי המבני-היררכי הגדול ביותר שנעשה בממשל הפדרלי בעשרות השנים האחרונות, העביר הקונגרס את חוק ביטחון המולדת בשנת 2002, שיצר את המשרד לביטחון המולדת. הקונגרס העביר גם את חוק הפטריוט, במטרה לעזור לזהות ולעצור פעולות טרור ופשעים אחרים. קבוצות זכויות אדם וליברליזם גינו את החוק בטענה שהוא מרשה לכוחות החוק והביטחון לפלוש לפרטיותם של האזרחים. עוד טענו שהחוק מסיר כל השגחה ופיקוח חוקי מעל כוחות הביטחון וסוכנויות הביון. במטרה לשפר את יעילות הלחימה העתידית בפעולות טרור הורחבו משמעותית סמכויות הסוכנות לביטחון לאומי. הסוכנות ביצעה האזנה נרחבת וחסרת הבחנה לסוגי התקשרויות אזרחיות רבות (טלפוניות, דיגיטליות וכולי). מבקרי החוק טענו שהוא נותן לסוכנות את היכולת "לצותת לכל שיחת טלפון ולקרוא כל אימייל בין תושבי ארצות הברית לעולם כולו מבלי לתת סיבה ראויה ספציפית".
תגובות צבאיות.
בשעה 14:40 ב-11 בספטמבר 2001, מזכיר ההגנה דונלד ראמספלד הורה לעובדיו לבדוק האם יש ראיות למעורבות עיראקית בתכנון ובביצוע הפיגועים: "אני רוצה לדעת אם המידע מספיק כדי לפגוע ב-S.H (סדאם חוסיין) עכשיו ולא רק ב-U.B.L (אוסאמה בן לאדן)". מועצת נאט"ו הכריזה שתקיפת ארצות הברית שהתרחשה באותו הבוקר משמעותה תקיפה על כל מדינות נאט"ו, ועל כן התגובה תהא בהתאם. הצהרה זו גרמה להחלת סעיף 5 באמנת נאט"ו בפעם הראשונה מאז שנכתב במלחמה הקרה, כשהעולם המערבי נערך מפני תקיפה של ברית המועצות. ממשל בוש הכריז על מלחמה בטרור, כשהמטרות המוצהרות היו הבאת בן לאדן ואל קאעידה לדין ולמניעת צמיחת רשתות טרור אחרות. מטרות אלו הושגו על ידי פעולות כלכליות וצבאיות שביצע העולם המערבי בהנהגת ארצות הברית כנגד מדינות שבתחומן פעלו טרוריסטים, ועל ידי הגברת המודיעין החוקר הגלובלי ושיתוף המידע בין שלל מוסדות הביון העולמיים.
ב-14 בספטמבר 2001, הועברה "החלטה משותפת" (החלטה שהסכימו עליה שני בתי הקונגרס, בית הנבחרים והסנאט) על ידי הקונגרס האמריקאי, שעניינה היה גיבוי נשיא ארצות הברית במלחמתו כנגד הטרוריסטים וקריאה לשימוש בכוח צבאי כנגד מדינות שגידלו טרוריסטים.
ב-7 באוקטובר 2001 החלה מלחמת אפגניסטן עם הפצצת מחנות טליבאן ואל קאעידה על ידי כוחות אמריקאיים ובריטיים, שלאחר מכן פלשו לאפגניסטן עם כוחות קרקעיים רגליים וכוחות מיוחדים. הסכסוך בין כוחות הטליבאן לבין כוחות הקואליציה המערבית – כוח הסיוע הביטחוני הבינלאומי - נמשך עד אוגוסט 2021, אז החליט ממשל ביידן להסיג את הכוחות האחרונים מאפגניסטן.
תגובות ברחבי העולם.
הפיגועים גונו בתקשורת העולמית וממשלות בכל רחבי העולם הוקיעו את ההתקפות הללו. תמיכה, סיוע וסולידריות הוצעו לארצות הברית משלל מדינות. שרי החוץ של האיחוד האירופי נפגשו לאספת חירום ביום שלמחרת המתקפה ודנו בהוצאת הודעת גינוי משותפת. רבים ממנהיגי האיחוד הביעו הזדהות עם ארצות הברית. קנצלר גרמניה, גרהרד שרדר, תיאר את הפיגועים כהכרזת מלחמה על העולם המתורבת. ראש ממשלת בריטניה, טוני בלייר, התחייב כי ארצו תעמוד לצד ארצות הברית במלחמת בטרור, והעיתון הצרפתי "לה מונד" יצא לאור ביום שלאחר הפיגועים כשבעמודו הראשון מופיעה הכותרת "כולנו אמריקאים". נשיא רוסיה, ולדימיר פוטין, אמר כי הוא תומך בתגובה חריפה כנגד המעשים הברבריים. גינויים בולטים דומים נשמעו ממדינות רבות אחרות דוגמת ניו זילנד, קובה, סין, מקסיקו והודו.
ראש ממשלת ישראל, אריאל שרון, הפציר בעולם להילחם בטרור, והכריז על יום אבל לאומי כאות הזדהות עם ארצות הברית. הכנסת קיימה ישיבה מיוחדת ב-16 בספטמבר לאות הזדהות עם העם האמריקני. בהצהרת סיכום הישיבה, שאושרה על ידי כל המפלגות מלבד המפלגות הערביות, נכתב כך:
התגובות בעולם הערבי לעומת זאת, היו מעורבות. מרבית המדינות גינו את המתקפה ובהן מצרים, ירדן, לוב, סוריה, איראן ופקיסטן. נשיא עיראק, סדאם חוסיין, אמר זמן קצר לאחר המתקפה כי "הקאובויים האמריקאים קוצרים את פירות פשעיהם נגד האנושות" אולם מאוחר יותר הביע את תנחומיו לעם האמריקאי. הרשות הפלסטינית גינתה את המתקפה אולם זמן קצר לאחר מכן כשלושת אלפים פלסטינים יצאו לרחובות העיר שכם, ופצחו בחגיגות כשהם צועקים "אללה אכבר" ומחלקים ממתקים. חגיגות נראו גם במספר מחנות פליטים פלסטינים בלבנון. תמונות הפלסטינים החוגגים שודרו בכלי תקשורת בכל רחבי העולם ועוררו סערה. שר ההסברה הפלסטיני, יאסר עבד רבו, הוציא הודעה בה טען כי החגיגות הן של מיעוט שאינו מייצג את רגשותיהם האמיתיים של העם הפלסטיני. רבים מאזרחי סעודיה הזדהו עם מטרותיו של בן לאדן, בעוד ממשלתם גינתה ברשמיות את הפיגועים. בשלל מדינות, כמו בארצות הברית פנימה, עלה לאחר הפיגועים המתח בין תושבים מוסלמים ללא-מוסלמים.
החלטת מועצת הביטחון של האו"ם מספר 1368 גינתה את הפיגועים, והביעה מוכנות לפעול בכל הצעדים המתבקשים כדי להגיב ולהילחם בכל צורה שהיא של טרור. מספר מדינות העבירו חוקים נגד טרור והקפיאו חשבונות בנק החשודים בקשר עם אל קאעידה. מפלס החשד והחרדה עלה - בכל רחבי העולם עלה מספר העצורים בחשד למעורבות בתכנון או ביצוע פעולות טרור.
עשרות אלפים ניסו לברוח מאפגניסטן מחשש לתגובה האמריקאית הצפויה לבוא. פקיסטן השכנה, שבה כבר שהו פליטים אפגנים רבים עקב סכסוכים מדיניים קודמים, סגרה את גבולה עם אפגניסטן ימים מספר לאחר הפיגועים. כחודש לאחר הפיגועים, הובילה ארצות הברית קואליציה של כוחות צבאיים בינלאומיים למבצע "חירות מתמשכת" (הידוע יותר כמלחמת אפגניסטן), במטרה להפיל את שלטון הטליבאן במדינה, שנתן לארגון אל קאעידה כר נוח ופורה לפעילותו. זו הייתה יריית הפתיחה של המלחמה העולמית בטרור. אף על פי שהשלטונות הפקיסטניים נמנעו מלעמוד לצד ארצות הברית באופן רשמי במלחמתה כנגד הטליבאן, הם הרשו לכוחות הקואליציה להשתכן בבסיסיהם הצבאיים, ואף עצרו ומסרו לידי ארצות הברית יותר מ-600 פעילי אל קאעידה פקיסטניים.
בעקבות כך הקימה ארצות הברית את מתקן המעצר בגואנטנמו, שבו הוחזקו עצירים שהוגדרו כ"חמושים עוינים בלתי-חוקיים". לגיטימיות המעצר עוררה סימני שאלה רבים בקרב האיחוד האירופי וארגוני זכויות האדם שונים.
תחילת המלחמה העולמית בטרור.
בנאום בפני שני בתי הקונגרס ב-20 בספטמבר 2001 הכריז הנשיא בוש על מלחמת חורמה בטרור העולמי, והציב בפני שלטון הטליבאן באפגניסטן אולטימטום בדרישה להסגיר את אוסאמה בן לאדן ואת כל אנשי אל-קאעידה שהיו אחראים לפיגועים. ב-2 באוקטובר, הפעילה ברית נאט"ו את סעיף 5 באמנה שלה, והצהירה כי ההתקפות כנגד ארצות הברית דינן כהתקפות על כל המדינות החברות בברית. חמישה ימים לאחר מכן, לאחר שממשלת אפגניסטן לא נענתה לאולטימטום של ארצות הברית, פלשה קואליציה של מדינות בהנהגת ארצות הברית למדינה, הפילה את שלטון הטליבאן, ודחקה את אנשיו לאזורים נידחים בהרים. מאז ועד שנת 2011 נמשך מצוד רב שנים אחר בן לאדן, והוא חוסל בפעולה צבאית בפקיסטן ב-1 במאי 2011.
מלבד אפגניסטן, ארצות הברית האשימה גם את עיראק ובראשה סאדם חוסיין במעורבות בפיגועים ובהחזקת נשק להשמדה המונית. אף על פי שברבות השנים הטענות הללו התבררו כבלתי מבוססות, יש הטוענים כי הלך הרוח הציבורי בארצות הברית ובמדינות רבות בעולם בשנים שלאחר הפיגועים, אפשר את פתיחת מלחמת עיראק ללא התנגדות משמעותית שעלולה הייתה להיווצר בנסיבות רגילות.
מלבד ביצוע פעולות צבאיות, ארצות הברית, במשותף עם מדינות נוספות, הטילה סנקציות כלכליות וצבאיות נגד מדינות שנטען כי הן נותנות מחסה לטרוריסטים. שיתוף הפעולה בין ארגוני הביון השונים בעולם גבר בשנים שלאחר המתקפה, ומדינות רבות בעולם התייצבו לצד ארצות הברית והבטיחו לסייע לה במאבקה. מספר מדינות, מלבד ארצות הברית, הגבירו את מוכנותן הצבאית בשנים שלאחר הפיגועים. דוגמאות למדינות כאלה הן הפיליפינים ואינדונזיה שנאבקות בתחומן כנגד טרור אסלאמי.