Boeing 767 på väg till Miami upplevde ett "osammanhängande motorbortfall", tjänstemän inblandade i undersökningen sade.
Piloten avbröt starten och evakuerade alla ombord via nödfallsskärmar när svart rök vällde från planet.
Tjugo personer fick mindre skador, sade brandkåren.
Nio besättningsmedlemmar och 161 passagerare var ombord.
En federal tjänsteman som citeras av Associated Press nyhetsbyrå sade att planet verkade ha drabbats av en sällsynt och allvarlig typ av motorfel där delar bryter av och spys utanför motorn.
Passagerare rapporterade en explosion följd av lågor och svart rök när planet körde på banan.
Sarah Ahmed sa att alla på höger sida av planet rusade från sina platser och flyttade sig till vänster.
"Folk skriker, 'Öppna dörren! Öppna dörren!' Alla skriker och hoppar på varandra för att öppna dörren, sa hon till WLS-TV.
"Inom den tiden, tror jag att det var sju sekunder, det fanns rök i planet och elden är rätt upp mot fönstren, och det smälter fönstren."
Händelsen ägde rum kl. 14:35 lokal tid (19:35 GMT).
Ett första uttalande av Federal Aviation Administration (FAA) sade att planet hade sprängt ett däck, men den informationen togs senare bort från uttalandet.
Varför tar folk sina väskor efter en flygolycka?
American Airlines sa att passagerare som fortfarande ville resa hade fått ett annat flyg till Miami.
På andra håll blev ett FedEx - plan beskjutet i Fort Lauderdale i Florida, en flygplats efter det att dess landningsställ hade kollapsat vid landningen, sade FAA.
Ett amerikanskt flygplan har fått eld på startbanan på flygplatsen O'Hare i Chicago när det lyfter.