午前8時46分40秒、ハイジャックされたアメリカン航空11便がワールドトレードセンター北棟 （1 WTC）の北面、93 ? 99階の部分に衝突した[38][39][40]。衝突によってハイジャック機のジェット燃料が引火したことで北棟の高層階では爆発的な火災が発生し、また燃料がエレベーターシャフトを通じて落下したことで地上ロビー等の低層のフロアでも爆発が起こった[39][41]。

衝突から間もなく火災と黒煙は周辺階に広がり始め、8時52分には、過酷な状況に耐えかねて高層階から飛び降りる人々も現れた[42][43]。この時点では、北棟への航空機の突入は（テロ攻撃ではなく）事故であるとの見方が大勢を占めていた[44]。当時の大統領ジョージ・W・ブッシュも第一報を受けて「これはパイロットエラーによる事故だ」と発言した[45]。

午前9時02分59秒、ハイジャックされたユナイテッド航空175便がワールドトレードセンター南棟 (2 WTC) に突入し、南棟は爆発炎上した[46]。ハイジャック機は機体を傾けながら南棟の南面、77 ? 85階の部分に衝突しており[47]、これによって南棟が負った構造的ダメージは北棟と比較してより深刻だった[29]。2機目のジェット機が南棟に衝突した瞬間は既に多数の報道カメラが記録を始めており、一般者も含めた数多のカメラによって様々な角度から捉えられた[30]。この時点で、一連の出来事が事故ではなく故意に起こされた攻撃であることが広く認識された[44][45]。

午前9時37分、ハイジャックされた旅客機（アメリカン航空77便）がペンタゴンに突入した[48]。9時42分、連邦航空局 (FAA) はアメリカ合衆国大陸部内のすべての民間航空機を離陸禁止とし、すでに飛行中の民間機にはただちに着陸するよう指示した[23]。

午前9時59分、ユナイテッド航空175便の南棟突入から56分後、ワールドトレードセンター南棟が崩壊した[49][50]。その直後の10時03分11秒、ハイジャックされたユナイテッド航空93便がペンシルベニア州で墜落した[51]。10時28分、アメリカン航空11便の北棟突入から1時間42分後、南棟に続きワールドトレードセンター北棟が崩壊した[49][50]。

ワールドトレードセンターのツインタワーは、航空機の衝突による大規模な構造的ダメージに加え、ジェット燃料が引き起こした火災の熱で構造部材（鉄骨柱・床トラス部材等）の強度が著しく低下したことで崩壊したと考えられている[52][53]。アメリカ国立標準技術研究所の報告書によれば、火災によるダメージは（ジェット燃料ではなく）主にオフィス内の可燃物によるものであり、それらの可燃物が火災を増長しなければ、ツインタワーは崩壊を免れていた可能性がある[54]。