Hình thức tấn công cơ bản nhất đối với bất kỳ mật mã hóa nào là tấn công vét cạn (brute-force attack), bao gồm việc thử mọi tổ hợp khóa có thể cho đến khi tìm thấy khóa chính xác. 

Frontier(cửa sổ mới) là siêu máy tính công khai mạnh nhất thế giới hiện nay. Nếu dành toàn bộ hiệu suất để tấn công vét cạn AES-128, siêu máy tính này vẫn sẽ cần khoảng 10–12 nghìn tỷ năm để thử hết tất cả các tổ hợp có thể đối với AES-128. Thời gian này dài hơn rất nhiều so với tuổi của vũ trụ. Do đó, ngay cả ở kích thước bit thấp hơn, AES vẫn có khả năng chống lại các cuộc tấn công vét cạn từ máy tính thông thường rất cao. 

AES-256 có độ khó khi tấn công vét cạn gấp 340 tỷ tỷ tỷ tỷ (2¹²⁸) lần so với AES-128.

Mặc dù thuật toán của Grover(cửa sổ mới) về mặt lý thuyết làm giảm một nửa độ bảo mật của các khóa đối xứng trước mối đe dọa lượng tử, chúng vẫn có khả năng kháng lượng tử tương đối tốt, đặc biệt là khi sử dụng khóa 256-bit.

Trong những năm qua, các nhà mật mã học đã công bố một số cuộc tấn công lý thuyết vào khóa AES, nhưng tất cả các cuộc tấn công này đều không khả thi trong thực tế hoặc chỉ hiệu quả trên các triển khai AES sử dụng số vòng lặp rút gọn (xem bên dưới). 

Nỗ lực thành công nhất là cuộc tấn công biclique(cửa sổ mới) trên lý thuyết được công bố vào năm 2011, có thể giảm thời gian cần thiết để tấn công vét cạn AES đi bốn lần. Tuy nhiên, vẫn sẽ cần hàng tỷ năm để tấn công vét cạn AES trên bất kỳ phần cứng máy tính hiện tại hoặc trong tương lai gần nào. 

Không có cuộc tấn công khóa nào đã biết là khả thi đối với AES-128 hoặc cao hơn nếu được triển khai đúng cách. 

Cuộc tấn công kênh kề cố gắng giảm số lượng tổ hợp cần thiết để thực hiện một cuộc tấn công vét cạn thành công bằng cách tìm kiếm các manh mối từ máy tính đang thực hiện các phép tính mã hóa. Manh mối có thể được thu thập bằng cách kiểm tra:

• Thời gian – thời gian máy tính cần để thực hiện một thao tác
• Rò rỉ điện từ
• Manh mối âm thanh
• Manh mối hình ảnh (thu thập bằng camera độ phân giải cao).

Đặc biệt, các cuộc tấn công thời gian bộ nhớ đệm (cache-timing attacks) đã chứng minh được hiệu quả khá cao trong việc bẻ khóa AES thành công. Trong ví dụ đáng chú ý nhất, vào năm 2016, các nhà nghiên cứu đã có thể khôi phục(cửa sổ mới) khóa AES-128 bằng cách chỉ sử dụng "khoảng 6 - 7 khối văn bản thuần túy hoặc văn bản mã hóa (về mặt lý thuyết, thậm chí chỉ cần một khối duy nhất là đủ)".

Tuy nhiên, có thể thực hiện một số biện pháp để giảm thiểu mối đe dọa từ các cuộc tấn công kênh kề:

• AES nếu được triển khai đúng cách có thể ngăn chặn các con đường rò rỉ dữ liệu.
• Phần cứng tích hợp tập lệnh AES sẽ giúp giảm thiểu hơn nữa bề mặt tấn công kênh kề của AES.
• Các kỹ thuật ngẫu nhiên hóa có thể được sử dụng để phá vỡ mối liên hệ giữa dữ liệu được AES bảo vệ và bất kỳ dữ liệu rò rỉ nào có thể bị thu thập qua cuộc tấn công kênh kề. 

Trong nhiều trường hợp, tấn công kênh kề yêu cầu kẻ tấn công phải ở gần hoặc tiếp cận vật lý với thiết bị khi thiết bị giải mã dữ liệu, mặc dù các cuộc tấn công từ xa vẫn có thể xảy ra nếu phần mềm độc hại được cài đặt trên thiết bị, đặc biệt là đối với các cuộc tấn công thời gian.

AES là mật mã khối mã hóa và giải mã dữ liệu theo từng khối 128 bit bằng cách sử dụng các khóa 128-bit, 192-bit hoặc 256-bit. Như đã lưu ý ở trên, cùng một khóa được sử dụng cho cả việc mã hóa và giải mã dữ liệu. AES sử dụng khóa 128-bit thường được gọi là AES-128, tương tự đối với AES-192 và AES-256.

Dữ liệu được mã hóa bằng nhiều vòng, mỗi vòng bao gồm một chuỗi các phép toán học. 

Quá trình bắt đầu bằng việc sử dụng thuật toán lập lịch khóa của Rijndael để tạo ra một chuỗi các khóa vòng mới từ khóa bí mật ban đầu. Quá trình này được gọi là mở rộng khóa.

Mỗi vòng sau đó bao gồm một hoặc nhiều (hoặc kết hợp) các phép toán sau:

1. Add Round Key (Cộng khóa vòng): Một phép toán XOR(cửa sổ mới) được thực hiện để kết hợp dữ liệu cần mã hóa (bản mã) với từng khóa vòng.

2. Sub Bytes: Một bảng thế được sử dụng để xáo trộn thêm dữ liệu. Về nguyên tắc, hãy nghĩ đến các mật mã thay thế đơn giản từng dùng khi còn nhỏ, trong đó mỗi chữ cái trong một thư được thay thế bằng một chữ cái khác lùi về sau một số vị trí nhất định trong bảng chữ cái.

3. Shift Rows: Mỗi khối dữ liệu 128-bit gồm một khối 4x4 16-bit. Hoạt động này dịch chuyển mỗi byte trong một hàng của khối sang trái theo một khoảng bù nhất định.

4. Mix Columns (Trộn cột): Một phép biến đổi tuyến tính nghịch đảo bổ sung được thực hiện trên mỗi cột trong khối.

Chuỗi các phép biến đổi này tạo thành một vòng, sau đó được lặp lại trên dữ liệu với số vòng cụ thể, tùy thuộc vào kích thước khóa:

• AES-128 — 10 vòng
• AES-192 — 12 vòng
• AES 256 — 14 vòng

Để giải mã dữ liệu, chỉ cần thực hiện ngược lại tất cả các bước được sử dụng để mã hóa dữ liệu đó. Quá trình này yêu cầu khóa bí mật gốc để đảo ngược quy trình bằng cách sử dụng từng khóa vòng nghịch đảo.

Với công nghệ hiện tại và trong tương lai gần, việc tấn công vét cạn AES-128 sẽ mất nhiều thời gian hơn cả tuổi của vũ trụ. Chuyên gia mật mã học huyền thoại Bruce Schneier thậm chí đã lập luận(cửa sổ mới) rằng AES-128 có thể mạnh hơn AES-256 nhờ có lịch trình khóa mạnh hơn — thuật toán tính toán tất cả các khóa vòng từ khóa bí mật ban đầu.

Tuy nhiên, AES-256 đã trở thành tiêu chuẩn vàng thực tế cho mã hóa khóa đối xứng. Phương thức này thường được xem là lựa chọn mạnh mẽ hơn (mặc dù còn một số tranh cãi) vì kích thước khóa lớn hơn biểu thị biên độ an toàn bổ sung, giúp dữ liệu được mã hóa vẫn an toàn ngay cả khi tìm thấy cách làm yếu thuật toán một cách đáng kể. Lập luận này càng trở nên thuyết phục hơn khi nhu cầu kháng hậu lượng tử ngày càng trở nên cấp bách. 

Cho đến gần đây, AES thường được sử dụng ở chế độ liên kết khối mã (CBC), trong đó mỗi khối văn bản thuần túy được XOR với khối bản mã trước đó trước khi được mã hóa. Khi được sử dụng ở chế độ CBC, cần có thuật toán băm HMAC(cửa sổ mới) như HMAC-SHA256 để xác minh dữ liệu.

Tuy nhiên, việc sử dụng AES ở chế độ Galois/counter (GCM) ngày càng trở nên phổ biến, chế độ này sử dụng chế độ đếm(cửa sổ mới) của mã hóa. Ưu điểm chính là chế độ này sử dụng trường Galois(cửa sổ mới) để xác minh dữ liệu mà không cần thuật toán bên ngoài. Do đó, phương thức này hiệu quả hơn so với việc sử dụng một thuật toán xác thực riêng biệt vốn có thể gây ra chi phí tính toán cao.

Mặc dù AES-CBC với xác thực HMAC thường được coi là an toàn, CBC vẫn có khả năng dễ bị tấn công bởi tấn công đệm(cửa sổ mới), chẳng hạn như POODLE(cửa sổ mới). GCM thì không.

Hầu hết các CPU hiện đại đều tích hợp Advanced Encryption Standard New Instructions (AES-NI(cửa sổ mới)), một tập hợp các chỉ thị phần cứng thực hiện các hoạt động AES trực tiếp trên bộ xử lý. Điều này giúp AES nhanh hơn nhiều và cũng giúp ngăn chặn các cuộc tấn công kênh kề dựa trên thời gian (timing-based side-channel attacks) vì các hoạt động diễn ra bên trong các đơn vị thực thi an toàn của bộ xử lý, do đó có ít sự thay đổi về thời gian có thể quan sát được để kẻ tấn công khai thác.

Hệ thống bảo mật chỉ mạnh bằng mắt xích yếu nhất, và đó thường là mật khẩu. Điều này có nghĩa là các chiêu trò thao túng tâm lý (social engineering), tấn công lừa đảo và phần mềm ghi nhật ký phím gõ(cửa sổ mới) (keyloggers) cũng là mối đe dọa đối với dữ liệu được mã hóa bằng AES. Do đó, ngay cả khi sử dụng AES, vẫn nên thực hiện các biện pháp phòng ngừa sau:

• Sử dụng một trình quản lý mật khẩu được mã hóa
• Sử dụng khóa bảo mật phần cứng (chẳng hạn như YubiKey) để tăng thêm một lớp bảo vệ
• Nếu thuộc một tổ chức, hãy thực hiện đào tạo bảo mật thường xuyên cho nhân viên để ngăn chặn các cuộc tấn công lừa đảo