Lima belas menit setelah terbang, para pembajak melukai sedikitnya tiga orang, memaksa masuk kokpit, mengambil alih tugas pilot dan first officer. Mohamed Atta, seorang anggota al-Qaeda dan pilot terlatih, mengambil alih kontrol pesawat. Pengawas lalu lintas udara mengetahui pesawat ini mengalami masalah ketika awaknya berhenti merespon kepada mereka. Mereka menyadari pesawat ini dibajak ketika Atta salah mengirim pengumuman untuk penumpang kepada pihak pengawas lalu lintas udara. Di pesawat, Amy Sweeney dan Betty Ong menghubungi American Airlines, dan memberikan informasi mengenai pembajak dan luka-luka yang dialami penumpang dan awak pesawat.
Pesawat menabrak Menara UtaraWorld Trade Center pukul 08:46 waktu setempat; tabrakan ini menewaskan ke-92 orang di pesawat, termasuk para pembajaknya, ditambah jumlah orang yang tidak diketahui di zona tabrakan gedung. Banyak orang di jalanan menyaksikan tabrakan tersebut, dan Naudet bersaudara merekam tabrakan tersebut, sebagaimana Pavel Hlava, bersama reporter berita Fox 8 Mark Burnback. Wolfgang Staehle memiliki webcam yang merekam tabrakan melalui serangkaian foto. Sebelum pembajakan ini dikonfirmasi kebenarannya, berbagai kantor berita mulai melaporkan insiden ini dan menduga tabrakan ini hanya kecelakaan. Dampak dan kebakaran yang tidak berhenti mengakibatkan Menara Utara runtuh, yang menewaskan dan melukai ribuan orang. Selama upaya pencarian di lahan World Trade Center, para pekerja menemukan dan mengidentifikasi lusinan sisa-sisa tubuh korban Penerbangan 11, namun banyak bagian tubuh lainnya yang tidak dapat diidentifikasi.