Chính phủ Hoa Kỳ qui trách nhiệm cho tổ chức khủng bố al-Qaeda về vụ tấn công 11/9.[122] Tổ chức này từng nhận đã tấn công các mục tiêu quân sự và dân chính của Hoa Kỳ tại châu Phi và Trung Đông. Osama bin Laden, bác bỏ mọi dính líu cũng không nhận mình đã biết trước cuộc tấn công. Trước đó, bin Laden đã tuyên bố thánh chiến chống lại Hoa Kỳ. Sau thảm hoạ này, chính phủ Hoa Kỳ công bố al-Qaeda và bin Laden là thủ phạm chính.

Tháng 11 năm 2001, lực lượng Hoa Kỳ cho phục hồi một băng video tìm thấy trong một căn nhà bị phá huỷ tại Jalalabad, Afghanistan, cuộn băng cho thấy Osama bin Laden đang nói chuyện với Khaled al-Harbi. Trong cuộn băng, bin Laden thừa nhận đã lập kế hoạch cho cuộc tấn công. Trong thế giới Hồi giáo, người ta tỏ vẻ hoài nghi về tính xác thực của cuộn băng này: "Phóng viên tại Trung Đông của đài BBC, Frank Gardner, nói rằng trên đường phố trong thế giới Ả Rập, nhiều người tin rằng đây chỉ là một thủ thuật tuyên truyền của chính phủ Mỹ". Cuốn băng được phát sóng trên nhiều mạng tin tức khác nhau trong tháng 12 năm 2001.

Ngày 16 tháng 9 năm 2001, Osama bin Laden đáp trả bằng cách đọc một bản tuyên bố, "Tôi nhấn mạnh rằng tôi không tiến hành điều này, nó được thực hiện bởi các cá nhân với mục tiêu riêng của họ". Bản tuyên bố được phát sóng trên kênh vệ tinh Al Jazeera của Qatar, cũng được phát sóng trên mạng lưới tin tức của Hoa Kỳ và thế giới. Phản ứng thứ hai của bin Laden xuất hiện vào ngày 28 tháng 11 trên Daily Ummat, một tờ nhật báo của Pakistan, "Tôi đã nói rằng tôi không dính líu đến các cuộc tấn công 11 tháng 9 tại Mỹ. Là một người Hồi giáo, tôi cố làm hết sức mình để khỏi phải nói dối. Tôi không biết gì về vụ tấn công, cũng không hề xem việc tàn sát phụ nữ và trẻ em vô tội, cùng những nhân mạng khác là một hành động thích đáng. Hồi giáo nghiêm cấm việc gây tổn hại cho phụ nữ, trẻ em vô tội và những người khác. Một hành vi như thế bị cấm đoán ngay cả khi đang ở trong thời chiến".

Tuy nhiên, không lâu sau cuộc bầu cử tổng thống Hoa Kỳ năm 2004, trong một thông báo ghi âm sẵn, bin Laden công khai thừa nhận sự dính líu của al-Qaeda vào vụ tấn công, và nhận có quan hệ trực tiếp với vụ tấn công. Ông ta nói rằng cuộc tấn công được thực hiện bởi vì "chúng tôi là một dân tộc tự do không chịu chấp nhận bất công, và chúng tôi muốn giành lại tự do cho dân tộc chúng tôi".

Ngày 27 tháng 9 năm 2001, FBI thông báo hình ảnh của 19 không tặc, cùng các thông tin liên quan đến quốc tịch và bí danh của nhiều nghi can.[123] Mười lăm không tặc đến từ Ả Rập Xê Út, hai từ Các Tiểu Vương quốc Ả Rập Thống nhất, một từ Ai Cập, và một từ Liban.[124] Khác với nhân thân thường thấy của những kẻ đánh bom cảm tử, họ đều là những người trưởng thành và có học thức.[125]

Theo kết luận của Ủy ban 9/11 trong bản tường trình ngày 22 tháng 6 năm 2004, cuộc tấn công được lập kế hoạch và tiến hành bởi các đặc vụ của al-Qaeda. Ủy ban cho rằng al-Qaeda chi một khoản tiền từ 400.000 USD – 500.000 USD để lập kế hoạch và tiến hành vụ tấn công, nhưng nguồn gốc số tiền trên vẫn chưa được xác minh.[126]