Le vittime degli attentati furono 2974, esclusi i diciannove dirottatori: 246 su quattro aeroplani (88 sul volo American Airlines 11, 59 sul volo United Airlines 175, 59 sull'American Airlines 77 e 40 sul volo United 93; non ci fu alcun superstite), 2603 a New York e 125 al Pentagono. Altre 24 persone sono ancora elencate tra i dispersi. Tutte le vittime erano civili a parte 55 militari uccisi al Pentagono. Furono più di 90 i paesi che persero cittadini negli attacchi al World Trade Center. Il NIST ha stimato che circa 17.400 civili erano presenti nel complesso del World Trade Center al momento degli attacchi, mentre i dati sui turisti elaborati dalla Port Authority of New York and New Jersey (l'"Autorità portuale di New York e del New Jersey") suggeriscono una presenza media di 14.154 persone sulle Torri Gemelle alle 8:45 del mattino. La gran parte delle persone al di sotto delle zone di impatto evacuarono in sicurezza gli edifici, come pure 18 persone che si trovavano nella zona di impatto della torre meridionale; Al contrario, 1366 delle vittime si trovavano nella zona di impatto o nei piani superiori della torre settentrionale; secondo il Rapporto della Commissione, centinaia furono le vittime causate dall'impatto, mentre le restanti rimasero intrappolate e morirono a seguito del collasso della torre. Quasi 600 persone furono invece uccise dall'impatto o morirono intrappolate ai piani superiori nella torre meridionale. Almeno 200 persone saltarono dalle torri in fiamme e morirono, come raffigurato nella emblematica foto The Falling Man ("L'uomo che cade"), precipitando su strade e tetti degli edifici vicini a centinaia di metri più in basso. Alcune persone che si trovavano nelle torri al di sopra dei punti di impatto salirono fino ai tetti degli edifici sperando di essere salvati dagli elicotteri, ma le porte di accesso ai tetti erano chiuse; inoltre, non vi era alcun piano di salvataggio con elicotteri e, quella mattina dell'11 settembre, il fumo denso e l'elevato calore degli incendi avrebbe impedito agli elicotteri di effettuare manovre di soccorso. Le vittime tra i soccorritori furono 411. Il New York City Fire Department (i vigili del fuoco di New York) perse 341 vigili del fuoco e 2 paramedici; il New York City Police Department (la polizia di New York) perse 23 agenti, il Port Authority Police Department (la polizia portuale) 37. I servizi di emergenza medica privata persero altri 8 tecnici e paramedici. La Cantor Fitzgerald L.P., una banca di investimenti i cui uffici si trovavano ai piani 101–105 del WTC 1, perse 658 impiegati, più di qualunque altra azienda. La Marsh Inc., i cui uffici si trovavano immediatamente sotto quelli della Cantor Fitzgerald ai piani 93–101 (dove avvenne l'impatto del volo 11), perse 295 impiegati, mentre 175 furono le vittime tra i dipendenti dellaAon Corporation. Dopo New York, lo stato che ebbe più vittime fu il New Jersey, con la città di Hoboken a registrare il maggior numero di morti. È stato possibile identificare i resti di sole 1600 delle vittime del World Trade Center; gli uffici medici raccolsero anche «circa 10.000 frammenti di ossa e tessuti non identificati, che non possono essere collegati alla lista dei decessi». Altri resti di ossa furono trovati ancora nel 2006, mentre gli operai approntavano il Deutsche Bank Building per la demolizione. La morte per malattie ai polmoni di alcune altre persone è stata fatta risalire alla respirazione delle polveri contenenti centinaia di composti tossici (quali amianto, mercurio, piombo, ecc.) causate dal collasso del World Trade Center. La gravità dell'inquinamento ambientale derivante da tali polveri - che investirono tutta la punta sud dell'isola di Manhattan - fu resa nota al grande pubblico solo a distanza di circa quattro anni dall'evento: sino ad allora le agenzie governative statunitensi avevano sottovalutato o nascosto il rischio ambientale, forse allo scopo di non causare ulteriore panico e di rendere più spediti i soccorsi, lo sgombero delle macerie, il ripristino delle normali attività della città così gravemente ferita.