La câteva ore după atac, FBI a reușit să afle numele și, în majoritatea cazurilor, datele personale ale piloților și teroriștilor suspecți. Bagajele lui Mohamed Atta, care nu au prins legătura de la zborul dinspre Portland la zborul 11, conțineau documente ce au relevat identitățile tuturor celor 19 teroriști, și alte indicii importante cu privire la planurile, motivele și situația lor. În ziua atacurilor, NSA și agențiile germane de informații au interceptat comunicații care făceau referire la Osama bin Laden. La 27 septembrie 2001, FBI a publicat fotografii ale celor 19 teroriști, împreună cu informații despre posibilele lor naționalități și nume false. Cincisprezece dintre teroriști erau din Arabia Saudită, doi din Emiratele Arabe Unite, unul din Egipt, și unul din Liban. Mohamed Atta era liderul celor 19 teroriști. Aceștia erau adulți bine educați, ale căror mentalități erau complet formate.
Ancheta FBI, denumită operațiunea PENTTBOM, a fost cea mai mare și mai complexă anchetă din istoria FBI, și a implicat munca a peste 7.000 de agenți speciali. Guvernul american a concluzionat că al-Qaeda, condusă de Osama bin Laden, poartă responsabilitatea atacurilor, FBI afirmând că „dovezile care leagă al-Qaeda și pe bin Laden de atacurile de la 11 septembrie sunt clare și irefutabile”.
Originile al-Qaeda pot fi găsite în 1979 când URSS a invadat Afganistanul. La scurt timp după invazie, Osama bin Laden a călătorit în Afganistan unde, cu ajutor din partea guvernului american, a ajutat la organizarea mujahedinilor arabi și a înființat organizația Maktab al-Khidamat (MAK) de rezistență antisovietică.
În 1989, când armata sovietică s-a retras, MAK s-a transformat dintr-o „forță de reacție rapidă” într-un jihad împotriva tuturor guvernelor din lumea musulmană. Sub conducerea lui Ayman al-Zawahiri, Osama bin Laden s-a radicalizat. În 1996, bin Laden a publicat primul fatwā, prin care cerea soldaților americani să părăsească Arabia Saudită.
Într-un al doilea fatwā din 1998, bin Laden și-a anunțat obiecțiile față de politica externă a Statelor Unite față de Israel, precum și față de prezența continuată a trupelor americane în Arabia Saudită după Războiul din Golf. Bin Laden s-a folosit de texte islamice pentru a instiga la violență împotriva armatei și cetățenilor SUA până la satisfacerea cerințelor lor, spunând că „ulema au fost de acord întotdeauna de-a lungul istoriei islamice că jihad este o datorie individuală dacă dușmanul distruge țările musulmane.”