事件发生后,正在佛罗里达州视察的美国总统G.W.布什立即返回华盛顿,并授权有关机构专门调查此案。同时,布什宣布全球美军处于高度戒备状态,并要求采取一切措施,保护美国公民的安全,确保美国政府正常运转。联邦调查局(FBI)几乎投入所有资源在全美各地展开调查。9月12日,美国司法部长宣布,美情报机关截获本·拉登的支持者商议攻击世贸中心和五角大楼的谈话,并确认了一些劫持4架民航飞机的恐怖活动嫌疑犯。9月14日,美国联邦调查局公布了涉嫌参与劫机并发动恐怖袭击行动的19人名单。这19个人均直接或间接同本·拉登有联系,其中7人是飞行员。同日,美参议院一致通过决议,授权布什总统运用一切必要力量,打击发动恐怖袭击和为恐怖分子提供庇护和帮助的国家、组织和个人。9月15日,调查恐怖袭击案的美国联邦调查局人员正式拘捕了第一名嫌疑犯。9月18日,美国联邦调查局宣布已有49名嫌疑人被拘留。