Sau khi bay được 15 phút, những kẻ không tặc đã làm ít nhất 3 người bị thương (có thể khiến một người thiệt mạng), dùng sức mạnh chọc thủng buồng lái sau đó tấn công, kiểm soát cơ trưởng và cơ phó, cho phép trưởng nhóm không tặc Mohamed Atta, một thành viên al-Qaeda và là phi công thương mại được cấp phép, đã nắm quyền kiểm soát máy bay. Kiểm soát viên không lưu nhận thấy chuyến bay gặp nạn khi phi hành đoàn không trả lời các tín hiệu. Họ nhận ra chuyến bay đã bị không tặc khi thông báo của Mohamed Atta dành cho hành khách được chuyển đến bộ phận kiểm soát không lưu. Trên máy bay, các tiếp viênAmy Sweeney và Betty Ong đã liên lạc với công ty American Airlines, đồng thời cung cấp thông tin về những kẻ không tặc và thương tích cho hành khách và phi hành đoàn.
Chiếc máy bay đã đâm vào Tòa Tháp Bắc của Trung tâm Thương mại Thế giới lúc 08:46:40 (giờ miền Đông (Bắc Mỹ)). Vụ không tặc chuyến bay 11 được phối hợp với chuyến bay 175 của công ty United Airlines, mà đã đâm vào đỉnh Tòa Tháp Nam 17 phút sau đó. Người dân New York đã chứng kiến máy bay đã bị đâm, nhưng rất ít video ghi lại được cảnh này. Nhà làm phim tài liệu Jules Naudet đã ghi lại cảnh quay duy nhất được biết đến về tác động ban đầu từ đầu đến cuối. Trước khi vụ không tặc được xác nhận, các hãng tin tức bắt đầu đưa tin về vụ việc và suy đoán rằng vụ va chạm là một tai nạn. Vụ va chạm và hỏa hoạn sau đó đã làm sập tháp Bắc 102 phút sau vụ va chạm, dẫn đến tăng thêm hàng trăm người thương vong. Trong nỗ lực tìm kiếm tại địa điểm Trung tâm Thương mại Thế giới, các công nhân đã tìm thấy và xác định hàng chục thì thể liên quan đến AA11, nhưng nhiều thi thể không xác định được nhân thân.
