2 996 personnes ont été tuées dans les attentats dont les 19 terroristes. Sur les 2 996 victimes des attentats, 310 étaient de nationalité étrangère, dont 67 Britanniques, 41 Indiens, 28 Sud-Coréens, 24 Canadiens et 24 Japonais. À la suite des attentats, on compte 6 291 personnes blessés80.
Près de 1 360 personnes dans la tour Nord et 600 dans la tour Sud ont été bloquées au-dessus et au niveau des impacts. Confrontées à une situation désespérée due à la fumée, environ deux cents d'entre elles ont préféré sauter dans le vide, s'écrasant dans les rues et sur les toits des bâtiments adjacents. D'autres encore ont tenté d'atteindre le toit dans l'espoir d'un sauvetage par hélicoptère et se sont heurtées à des portes d'accès verrouillées. Seules dix-huit purent s'échapper de la tour Sud.
Marsh & McLennan Companies qui possédait des bureaux entre les 93e et 101e étages de la tour Nord perdit 295 employés tués sur le coup lors de l'impact du vol 11. Cantor Fitzgerald L.P. perdit 658 employés qui travaillaient entre le 101e et le 105e étage.

L'effondrement des tours tua 343 sapeurs pompiers du NYFD, venant de 75 casernes différentes, qui portaient secours aux personnes bloquées dans les tours. Parmi eux se trouvait le chef de département Peter J. Ganci, Jr. ainsi que 19 chefs de bataillon. L'autorité du port (PANY/NJ) perdit 84 employés dans les attentats dont 37 officiers de police. 23 agents de police du NYPD ainsi qu'un agent du FBI et un agent du Secret Service furent également tués lors de l'effondrement des tours.
Des 125 victimes du Pentagone, 70 étaient des civils et 55 étaient des militaires. Timothy Maude, lieutenant général de l'US Army, était le militaire le plus haut gradé tué dans les attentats.

Sur les 2 796 personnes ayant perdu la vie dans les tours jumelles, seuls 293 corps ont été retrouvés. Près du quart des 20 000 fragments d'os et de tissus récupérés a pu être attribué, laissant sans trace quelque 1 151 disparus, rapportait l'agence Associated Press. Ce travail d'identification était achevé au début 2005. En avril 2006, trois cents fragments osseux (de longueur inférieure à 2 cm) étaient découverts dans les débris accumulés sur le toit de l'immeuble de la Deutsche Bank, situé à quelque cent trente mètres au sud de WTC2. L'institution qui réalisa cette identification en utilisant les marqueurs ADN, le National Criminal Justice Reference Service, avait rapporté « le degré incroyable de fragmentation [des corps], avec une moyenne de seulement sept fragments récupérés par victime ». Plus de 3 000 enfants ont perdu un ou deux parents.

Les gigantesques nuages de poussière générés par ces destructions ont induit les plus grands mouvements de panique que la ville de New York ait connue. Ils ont en effet envahi tout le sud de la péninsule de Manhattan et même traversé le East River pour atteindre Brooklyn. Il y a eu de nombreux blessés et un certain nombre de disparus, peut-être même des morts (jamais confirmé).
Dans le cadre de l'Air Transportation Safety and System Stabilization Act signé par George W. Bush le 22 septembre 2001,un fond de compensation aux victimes des attentats est établi. Au total le fond s'élève à 7,049 milliards de dollars destinés aux familles de 2996 victimes ainsi qu'à 2680 blessées dans les attentats.

Les effondrements des tours jumelles ont causé la destruction totale ou partielle des 5 autres immeubles composants le World Trade Center. L'église orthodoxe grecque Saint-Nicolas, qui se trouvait près de la tour Sud, fut totalement détruite. Les débris produits par les effondrements ont causé de lourds dommages aux nombreux immeubles adjacents. Le Structural Engineers Association of New York (SEAoNY) a dénombré au total 48 immeubles endommagés près du site du World Trade Center93.
Au total 8 immeubles se sont partiellement ou totalement effondrés: le 1 World Trade Center (Tour Nord), le 2 World Trade Center (Tour Sud), le Marriott World Trade Center, le 4 World Trade Center, le 5 World Trade Center, le 6 World Trade Center, le 7 World Trade Center et l'Église orthodoxe grecque Saint-Nicolas.
Parmi les 48 immeubles endommagés, 11 ont subi de lourds dommages: le 2 World Financial Center, le 3 World Financial Center, le Winter Garden building, le 120 Cedar Street, le 114 Liberty Street, le Deutsche Bank Building, le 130 Cedar Street, le 90 West Street, le Verizon Building, le 45 Park Place et le 30 West Broadway.

Parmi les milliers de personnes affectés depuis de problèmes pulmonaires, déficience respiratoire, cancers (environ 30095) , quelques centaines se sont adressées aux tribunaux pour obtenir réparation, estimant les institutions responsables de leur état par dissimulation de la pollution atmosphérique.
Une étude conduite en 2002 en partie par le State department of health's office of managed care a montré qu'à l'ouest de Brooklyn les asthmatiques se plaignaient 2,4 fois plus d'asthme aggravé que dans le reste de la ville après le 11 septembre[réf. nécessaire]. Et 1,5 fois plus se sont rendus à l'hôpital pour ce type de problèmes.
En 2006, un seul décès par fibrose pulmonaire a été officiellement attribué à Ground Zero après autopsie (60 personnes seraient mortes suite à ce type d'infection selon le Dr Levin du World Trade Center Medical Monitoring Programs au Mt Sinai Hospital). A ce jour beaucoup de nouveaux cas de mésothéliome (affection due à l'amiante), ou asbestose sont détectés. Ils sont consécutifs à ce qu'on appelle localement « le syndrome du World Trade Center ».

L'effondrement des tours a dispersé dans l'atmosphère de Manhattan de nombreux polluants dangereux : de la dioxine, du plomb (dans les 50 000 ordinateurs de chaque tour), de l'amiante, du mercure (dans les dizaines de milliers de tubes fluorescents), de l'américium 241 (radioactif présent dans les milliers de détecteurs de fumée) et de la fibre de verre dans des quantités importantes. Ainsi que des polycarbonates dans une concentration 75 000 fois celle qui ait jamais été mesurée auparavant (dans un atelier du port) et des poussières ultra fines à un taux encore jamais constaté.
L'EPA a enregistré des pics de concentration anormalement élevés d'autres composés organiques volatiles comme l'éthylbenzène, le propylène, le styrène, et le toluène, ainsi que du 1,3-diphénylpropane. Des produits aérosols sous forme de particules inhabituellement fines, probablement associées à des hautes températures sous les débris, furent détectés par l'équipe de Thomas Cahill de l'Université de Californias Davis comme le soufre, le silicone, l'aluminium, le cuivre, le nickel, le fer, le baryum, et le vanadium. Le niveau moyen de concentration de benzène dans l'air enregistré par l'EPA d'octobre à novembre 2001 était de 18 000 ppb avec un pic à 180 000 ppb début novembre.

L'Agence de Protection de l'Environnement était en charge d'évaluer les risques et la dangerosité de l'air. Plusieurs mois après, l'EPA enregistrait encore des taux élevés de dioxine. Christine Todd Whitman, administrateur de cet organisme, avait alors, avec cinq communiqués dans les dix jours qui suivirent, garanti le caractère sain de l'atmosphère de Manhattan, ainsi que de l'eau de la ville. Le 21 août 2003 cependant, l'Agence rendait public un rapport signé par l'Inspecteur Général Nikki Tinsley exposant les modifications imposées par l'administration Bush aux énoncés de prudence rédigés pour prévenir du danger représenté par les poussières, complété par une étude de 2004 des documents par le Sierra Club où l'Agence se voit reprocher de n'avoir pas d'office mis en garde le public, avant toute mesure de pollution, en raison de la connaissance qu'elle avait du danger présenté par certains matériaux constituant les immeubles. L'EPA envisagea même de classer 'secret'les documents relatifs à cette pollution. Les plaintes de malades ont été acceptées par les juges Deborah Batts et Alvin Hellerstein en février et octobre 2006.

Le 8 mars 2007, à la demande de Jerrold L. Nadler, le « 9/11 Heroes Health Improvement Act of 2007 » devrait apporter 1,9 milliard de dollars (1,4 milliard d'euros) pour financer l'évaluation et des solutions aux problèmes de santé induits par le 11 Septembre.Par ailleurs, L'association de la santé mentale de New York indique début 2006 que 12 000 personnes ont sollicité une aide psychologique depuis 2002 suite à ce drame.

En mars 2010, la municipalité de New York prévoit de débloquer un fond de 657,5 millions de dollars pour dédommager dix mille pompiers, policiers et ouvriers se plaignant de problèmes de santé après avoir travaillés dans les ruines de Ground Zero, mais l'accord est rejeté par le juge. Finalement le 23 juin 2010, la justice approuve un nouvel accord qui prévoit un fond d'indemnisation d'une valeur de 712,5 millions de dollars.