Tankfartyget Mercer Street attackerades utanför Omans kust. En brittisk säkerhetsvakt och en rumänsk besättningsman dödades.
"Efter en granskning av tillgänglig information är vi övertygade om att Iran genomförde den här attacken", säger USA:s utrikesminister Antony Blinken. I uttalandet sägs att det rörde sig om en attack med drönare.
USA samråder med sina allierade och regeringar i regionen om nästa steg. Ett "lämpligt svar" kommer, tillägger Blinken.
Även Storbritanniens utrikesminister Dominic Raab pekar i ett uttalande ut Iran för att medvetet ha angripit fartyget med en eller flera drönare.
"Försvarar intressen"
Iran var inte inblandad i attacken, sade Saeed Khatibzadeh, talesperson på det iranska utrikesdepartementet tidigare på söndagen. Anklagelserna beskrivs som "grundlösa" av departementet.
"[Israel] har skapat otrygghet, terror och våld. Dessa anklagelser om Irans inblandning fördöms av Teheran", sa Saeed Khatibzadeh på en tv-sänd presskonferens.
Saeed Khatibzadeh tillade att "Iran kommer inte att tveka ett ögonblick att försvara sina intressen och sin nationella säkerhet."
Israels premiärminister Naftali Bennett hävdar dock att hans regering har bevis för att Iran låg bakom attacken och hotar med vedergällning.
"Underrättelsebevis för detta existerar och vi väntar oss att världssamfundet klargör för Irans regim att den har gjort ett allvarligt misstag", sade Bennett vid söndagens regeringsmöte.
"Hur som helst så vet vi hur vi kan sända ett budskap till Iran på vårt eget sätt", sade Bennett enligt ett uttalande.
USA utreder
Fartyget Mercer Street är japanskägt men drivs av det israeliskägda rederiet Zodiac Maritime. Enligt bolaget var fartyget på väg från Dar es Salaam i Tanzania till Fujariah i Förenade Arabemiraten.
Efter attacken skyddade en amerikansk flotteskort det skadade fartyget, enligt rederiet. På lördagen meddelade det amerikanska utrikesdepartementet att USA kommer att hjälpa till i utredningen.
Israels utrikesminister Yair Lapid twittrade i fredags att han hade beordrat Israels diplomater att driva på FN-åtgärder mot "iransk terrorism".
"Jag har instruerat ambassaderna i Washington, London och FN att arbeta med sina samtalspartner i regeringen och de relevanta delegationerna i FN: s högkvarter i New York", skrev han.