Den två år gamla rapporten, där delar fortfarande är hemligstämplade, offentliggörs av president Joe Bidens regering.
Den saudiske kronprinsen "godkände insatsen i Istanbul i Turkiet för att tillfångata eller döda den saudiske journalisten Jamal Kashoggi", heter det i rapporten.
Enligt rapporten såg kronprinsen Khashoggi som ett hot mot Saudiarabien, och det är inte troligt att saudiska tjänstemän skulle utföra mordet utan kronprinsens godkännande, enligt underrättelsetjänsten.
Regimkritikern mördades på Saudiarabiens konsulat i Istanbul i Turkiet 2018 när han skulle hämta ut äktenskapshandlingar.
"Oacceptabel analys"
"Kungadömet Saudiarabiens regering tillbakavisar fullständigt rapportens negativa, falska och oacceptabla analys", skriver det saudiska utrikesdepartementet i ett uttalande efter offentliggörandet enligt nyhetsbyrån AFP.
Relationen med USA beskrivs dock i uttalandet som "robust och varaktig".
Rapporten från USA:s underrättelseorganisationer hemligstämplades av förre presidenten Donald Trumps regering. Men i samband med president Bidens första kontakt med Saudiarabiens formelle ledare, den 85-årige kung Salman, offentliggjordes delar av den.
Publiceringen innebär en klar skärpning i USA:s hållning till bundsförvanten Saudiarabien.
– Jag är väldigt spänd på att se hur långt Biden vågar gå. Samtidigt är banden mellan USA och Saudiarabien väldigt starka och bygger på ekonomiska och politiska realiteter, säger seniorforskaren och tidigare direktören för Norges utrikespolitiska institut, Sverre Lodgaard.
Fortsatt stöd
I samtalet skärpte president Biden tonen om vikten av att följa mänskliga rättigheter. USA bekräftade samtidigt det fortsatta stödet till Saudiarabien "att skydda sitt territorium om det attackeras av Iranstödda grupper".
Saudikännaren Lodgaard säger att USA spelar efter den diplomatiska regelboken, och att man haft samtal på högsta nivå med representanter i Saudiarabien:
– Samtidigt har USA visat uttryck för att man befinner sig på insidan av (maktstrukturens) Riyad genom publiceringen av rapporten.
Vita huset har gjort klart att Biden inte söker direkt kontakt med Saudiarabiens verklige ledare, 35-årige Mohammed bin Salman.
Men den mäktige kronprinsen sitter säkert, även om USA skulle vilja se ett maktskifte.
– Kronprinsen sitter på alla fysiska maktmedel, säger Lodgaard, som inte tror att det finns någon opposition som hotar hans ställning.
USA:s utrikesminister Antony Blinken meddelar att resesanktioner införs mot 76 saudier. Ytterligare sanktioner införs mot kronprinsens personliga vaktstyrka, en väpnad insatsstyrka som lyder under det saudiska kungahuset, rapporterar Reuters.
Bedyrat sin oskuld
Sju personer ur vaktstyrkan var direkt inblandade i mordet i Istanbul enligt rapporten.
"Vi har med all tydlighet klargjort att Saudiarabien måste upphöra med extraterritoriala hot och angrepp mot aktivister, oliktänkande och journalister", skriver Blinken i ett uttalande.
Mohammed bin Salman har bedyrat sin egen oskuld i fallet Khashoggi, men har samtidigt erkänt Saudiarabiens skuld i mordet. Flera personer har dömts till döden för medverkan.
Khashoggi bodde i USA och var kolumnist för tidningen The Washington Post, där han formulerade skarp kritik mot kronprinsen och den saudiska regimen.