Il s'agit de l'attaque la plus meurtrière dans la métropole turque déjà visée trois fois cette année.
"Selon les dernières informations, 36 personnes ont perdu la vie", a annoncé dans la nuit le Premier ministre Binali Yildirim, le visage grave, devant la presse sur les lieux de l'attaque, ajoutant que "les indices pointent Daech" (acronyme arabe de l'EI).
Mercredi, une dizaine d'heures après l'attentat, aucune précision n'avait été fournie sur le nombre ni les nationalités d'éventuels étrangers parmi les victimes ni sur la nationalité des assaillants.
Des photos et vidéos choc diffusées sur les réseaux sociaux ont montré une énorme boule de feu à l'entrée du terminal et des membres de la sécurité en train de faire évacuer des passagers qui hurlaient dans des couloirs, pris de panique.
Sur l'une des vidéos saisissantes, l'un des kamikazes apparaît au sol, blessé par un tir de policier, se tordant avant de déclencher sa ceinture d'explosifs.
Selon les autorités, des explosions ont d'abord eu lieu à l'entrée du terminal des vols internationaux vers 22H00 (19H00 GMT). Trois assaillants ont mitraillé des passagers ainsi que des policiers en faction, une fusillade a éclaté puis les kamikazes se sont fait sauter.
"Trois kamikazes ont mené une attaque", a indiqué Vasip Sahin, le gouverneur d'Istanbul, aux journalistes.
Le président turc Recep Tayyip Erdogan a rapidement exhorté la communauté internationale à une "lutte commune" contre le terrorisme.
"Cette attaque, qui s'est déroulée pendant le mois du ramadan, montre que le terrorisme frappe sans considération de foi ni de valeurs", a dit le chef de l'Etat.
Le mode opératoire rappelle les attentats jihadistes ayant ensanglanté Paris en novembre (130 morts) et à Bruxelles (32 morts dans le métro et à l'aéroport) en mars.
Un grand mouvement de panique s'est emparé du terminal des vols internationaux lorsque deux violentes explosions suivies de coups de feu ont d'abord été entendues.
Un photographe de l'AFP a vu des corps recouverts de draps à l'aéroport, jonché de bagages abandonnés. Des centaines de policiers et pompiers étaient sur place.
"J'attendais mon vol pour Tokyo et soudain plein de gens se sont enfuis et je les ai suivis. J'ai entendu des coups de feu et c'était la panique", a expliqué à l'AFP une Japonaise, Yumi Koyi.
Oftah Mohammed Abdullah, une Somalienne, raconte à l'AFP avoir vu l'un des assaillants: "Il avait une écharpe rose, une veste courte et avait caché un fusil (dessous). Il l'a sorti et a commencé à tirer sur les gens. Il marchait comme un prophète".
Les télévisions montraient en boucle des scènes de pagaille devant un grand hôpital proche de l'aéroport, Bakirkoy, submergé par des proches cherchant à avoir des nouvelles de voyageurs et où s'est rendu dans la nuit M. Yildirim, sous haute escorte.
Le Premier ministre est arrivé d'Ankara à l'aéroport d'Atatürk quelques heures seulement après le triple attentat.
Tous les vols ont été suspendus au départ d'Atatürk, le plus grand aéroport de Turquie et le 11e dans le monde, avec ses 60 millions de passagers en 2015.
Puis le trafic aérien a pu reprendre à partir de 03H00 (00H00 GMT) mercredi, selon M. Yildirim.
Sur les réseaux sociaux, les internautes ont dénoncé la proximité présumée du régime islamo-conservateur du président Erdogan avec l'EI en Syrie voisine, une thèse toujours démentie par les dirigeants au pouvoir en Turquie.
Istanbul et Ankara ont été secouées depuis l'an dernier par une série d'attentats qui ont fait près de 200 morts, des centaines de blessés et créé un climat de forte insécurité.
Istanbul avait déjà été visée en janvier (12 touristes allemands tués, attaque imputée à l'EI), en mars (4 touristes tués -- trois Israéliens et un Iranien -- attribuée aussi à l'EI) et début juin (11 morts dont six policiers, attentat revendiqué par les combattants kurdes).
Les attentats en Turquie ont visé des lieux touristiques emblématiques, provoquant une chute immédiate du tourisme, ou les forces de sécurité turques.
Ils ont été attribués soit à l'EI -- qui n'en a jamais revendiqué aucun -- ou aux rebelles kurdes, notamment aux TAK, une émanation du Parti des Travailleurs du Kurdistan (PKK).