九一一袭击事件导致至少2,996人在事件发生当天死亡，包括2,977名无辜平民及19名劫机者。有372名遇难者是外国人，来自90多个国家，占到总死亡人数12%。当天死亡的人中，有246人来自四架被劫持的飞机（美国航空11号班机、联合航空175号班机、美国航空77号班机、联合航空93号班机），2,606人死于纽约世界贸易中心或周遭地区，125人死于五角大楼。
袭击发生后，一些没有当天死亡的幸存者因患上因吸入过多浓烟而产生的疾病而在接下来的几年陆续死亡。这些人后来也被加入到了遇难者的列表当中。因此，当前总共有2,999人被列入九一一袭击事件的死亡名单中，并有可能在未来不断增加。与此同时，至少1,140名事发当天在现场的人在日后被诊断出癌症，多数与袭击有关。
九一一袭击事件绝大多数死难者都来自世界贸易中心双塔。根据估计的数据，袭击发生时双塔内大约有14,154人。世贸北塔（一号楼）在早晨8:46分受撞击后燃烧至10:28分（102分钟）倒塌，南塔（二号楼）在9:03分受撞击后燃烧至9:59分（56分钟）倒塌。袭击共造成北塔1,402人死亡，南塔614人死亡，此外还有343名消防员、2名急救护理人员、60名来自不同部门的警察在事件中身亡。
由于两座大楼受撞击的时间、位置、方式均不同，因此两座楼内的死亡人数和死因也有所差别。统计显示，事发当时处于北塔92楼（含92楼）及以上各楼层的人无一生还，而南塔则有少数位于撞击区域以上的人在大楼受袭后仍然侥幸逃生。总的而言，世贸中心的死难者主要有如下几种原因：
早晨8:46分，第一架飞机撞入世贸中心北塔93-99楼，当场杀死了百余名处于撞击区域的人，由于大楼已经倒塌且该段楼层无幸存者，因此当时那里的具体情况已经无法得知。由于飞机正好横插进入大楼，切断了所有的楼梯，撞击区域以上有数百人因此被困，根据统计，所有位于北塔撞击区域及以上的人无人生还。92楼虽然刚好位于撞击区域以下，但楼梯通道被掉落的楼板堵死，因此92楼也无人生还。相比之下，只比这低一层楼的91楼全员生还，有媒体因此将91楼称作“生与死的分界线”。
北塔受袭后，两栋大楼内的人员，包括北塔能够撤离的人和南塔整栋楼的人，立即通过楼梯疏散。由于南塔当时并未被撞击，因此许多在高层的人得以步行下楼至78楼的空中大堂，再乘坐直达电梯直至1楼。然而，大楼内的安保人员却告知南塔仍然安全，劝告人们不要撤离。一些人于是返回办公室，还有一些人犹豫不决滞留在高层内，这些人绝大多数最终都在后来的袭击中遇难。不过，一些公司勒令员工必须撤离，还有一些幸存者事后称，他们在犹豫不决时，亲眼通过办公室的窗户目睹北塔内受困的人跳楼，内心受到震撼而下决心撤离。尽管南塔比北塔只晚撞16分钟，但这16分钟的关口成功地疏散了高层内的一千多人，使得南塔的死亡人数比北塔最终少得多。
9:03分，第二架飞机撞入南塔77-85楼，据估计，当时南塔剩下600多人处于撞击区域及上方未撤离。飞机刚好扫过78楼的空中大堂，将正在等电梯撤离的两百余人几乎全部杀死。仅存的12名幸存者都是因为刚好站在大楼的最北一侧或有墙遮挡，离冲击较远而得以逃脱。78楼因此成为死亡最惨重的楼层。
与北塔不同，撞击南塔的飞机从大楼偏南侧撞入，使得南塔北侧受到的冲击较小，至少有一个楼梯道（通道A）在大楼被撞后仍保持畅通。18个在遇袭时处于撞击区域或上方的人——最高位于91楼的人——得以通过此楼梯道逃脱。然而，由于错误的指挥和混乱的通讯，六百多名被困者无法得知A通道仍然畅通的消息，相反，他们试图涌上屋顶，等待直升机救援，然而通往屋顶的门是锁着的。由于不断有碎片掉落，地面上的伤亡也不断增加。为了躲避碎片和跳楼者，救援人员要求平民通过地下商场撤离。有具体多少人跳楼不得而知，但跳楼者基本都集中在北塔。世贸中心三号楼的屋顶据报告有大量的跳楼者尸体。一名正在执行任务的消防员被跳楼者砸死。
9:59分，南楼倒塌。倒塌时南楼顶端等待救援的人全部遇难。地面也有大量人员，包括消防员和警察，来不及躲避而死亡。在其后的一段时间，由于火势猛烈，一些位于北塔楼内的救援人员得到了撤离大楼的指令，但有些消防员由于通信不畅未能得到消息，而是继续往上爬以搜寻被困者。这些当中的许多人最后也遇难。
根据统计，至少有200人死于电梯内。南北双塔均有人员困于电梯而死。飞机的撞击毁坏了许多电梯的缆绳，导致这些电梯失去支撑坠落，造成不少伤亡。从电梯逃离的人，许多是因为飞机撞入大楼时电梯门刚好是开着的。根据事后统计，世贸双塔198部电梯中，共有64部电梯的缆绳经过撞击区域。这64部电梯中有48部没有人活着出来。世贸中心的电梯在事后受到批评，其全新配备的反扒门装置阻止了人们扒门逃离电梯，而统计显示凡是被困在这种配备新型反扒门装置的电梯里的人，没有一个人能够活着逃出来。
统计资料处于撞击区域以下的人生还率高达99%。但也有不少例外。北塔92楼整层楼处于撞击区域以下，但无人能够逃生。此外，还有一些人由于积极参与救援耽误时间、或因体能原因下楼速度过慢而未能逃出，还有一些人纯属不走运。例如，有13个处于北塔83楼的人撤离时被掉落的天花板挡住去路，往回走时又被后方掉落的天花板堵死，最终被堵在一个墙角无法动弹，直到大楼倒塌也未能逃出。
在大楼倒塌之后，有23人被从废墟中活着挖了出来，包括15个救援人员。最后一个被营救出来的人在废墟中待了27个小时。值得注意的是，北塔倒塌时，有16个正沿着北塔B通道下楼的人在坍塌中幸存。有一人在大楼倒塌时处于22楼，他从22楼坠落，但数小时后在废墟下恢复了意识。其它几个人则多集中在7楼以下，7楼是一个特殊加固的楼层，能够减慢倒塌的速度，使废墟向四周扩散，从而保留了位于大楼中央的B通道不受摧毁。
有一些被困在电梯里的人使用各种手段从电梯中逃了出来。例如，有6个人被困在北塔一部直达电梯中，一名玻璃清洁工使用一把锋利的玻璃刷花了45分钟割开了电梯井的墙板，踹开对面的墙，并进入了50楼的一个厕所中。得益于这把玻璃刷，这六人全部成功逃离。还有一人被困在北塔一部位于一楼的电梯里，然而，即使屡次呼救，距离仅几米的消防员仍未能发现他的存在。他被困在电梯中一个半小时，直到大楼由于断电使电梯门失去动力，他才得以扒门逃出。此时距离北塔倒塌只有5分钟。有两名在南塔的人在78楼刚挤入电梯，飞机便撞入大楼。电梯的九根缆绳被撞断八根，随后以近乎自由落体的速度坠落。临近一楼时，紧急刹车系统刹停了电梯厢。二十多人最终只有两人活着扒门逃出。
125人在五角大楼的袭击中遇难，70人为平民，55人为军队人员。死难人员中，最高级别为中将。
不包括19名劫机者在内，袭击事件共造成372名外籍人士遇难，占遇难人数的12%左右。外籍遇难者中有近一半来自英国、多米尼加、印度和韩国。
除去一些持有双重国籍的遇难者，下表是外籍遇难者的国籍分布：
