Il terremoto si è generato nella prefettura di Miyagi. La zona presso l'epicentro ha tremato per circa 6 minuti, raggiungendo una magnitudo momento di 9,0.In seguito alla scossa si è generato uno tsunami con onde alte oltre 10 metri che hanno raggiunto una velocità di circa 750 km/h. La grande energia del sisma potrebbe aver causato, secondo alcuni calcoli, spostamento dell'asse terrestre di circa 17 centimetri[(inizialmente stimati 10 cm) e spostato le coste del paese di 4 metri verso Est causando anche mutazioni del fondale marino.A un mese dall'evento, il bilancio delle vittime da parte della National Police Agency giapponese fu di 13.228 morti e 14.529 dispersi, con stime dei dispersi effettivi vicine ai 17.000 per un totale di oltre 30.000 vittime.Nei primi momenti dopo il sisma si sono sviluppati incendi e smottamenti. .La fornitura d'acqua si è interrotta in almeno 1,4 milioni di case e circa 3 milioni di persone sarebbero rimaste senza elettricità .
Le centrali nucleari che hanno subito i maggiori danni sono state quelle di Fukushima Dai-ni (Fukushima II) e, in particolare, Fukushima Dai-ichi (Fukushima I), situate a circa 11 km l'una dall'altra nella prefettura di Fukushima. I reattori attivi a Fukushima I erano i n. 1, 2 e 3, mentre altri tre erano stati spenti per manutenzione. Questi si sono disattivati automaticamente dopo la scossa, ma i sistemi di raffreddamento sono comunque risultati danneggiati, causando un surriscaldamento incontrollato. Il livello dell'acqua negli impianti è sceso sotto i livelli minimi di guardia in tutti e due i siti, e pertanto è stata dichiarata l'emergenza nucleare (la prima nella storia del Giappone). Alle 15:40 (6:40 UTC) dell'11 marzo il reattore n. 1 di Fukushima I ha subito la fusione delle barre di combustibile e un'esplosione visibile anche dall'esterno, che ha provocato il crollo di parte delle strutture esterne della centrale. In un'ora sarebbero state rilasciate più radiazioni che nell'arco di un anno. Il 12 marzo si è verificato lo stesso problema al reattore n. 3 della stessa centrale. Per contenere il surriscaldamento è stato autorizzato il rilascio controllato di vapore e si è proceduto all'irrorazione dei reattori con acqua di mare e acido borico (capace di assorbire neutroni e rallentare la reazione del combustibile). I gas dispersi dalle esplosioni e dal rilascio di vapore hanno diffuso nell'atmosfera ioni radioattivi di iodio 131. La successiva evacuazione ha interessato 110 000 persone nel raggio di 30 chilometri dall’impianto di Fukushima . Il 14 marzo si è interrotto l'impianto di raffreddamento del reattore n. 2, subito irrorato con acqua marina e boro. Nella notte del 15 marzo è avvenuta un'esplosione, con successivo incendio, al reattore n. 4: anche se spento, il guasto all'impianto di raffreddamento ha impedito di contenere il surriscaldamento dovuto al decadimento naturale del combustibile nucleare, e questo ha portato alla vaporizzazione dell'acqua della piscina di soppressione in cui è immerso il reattore e alla successiva reazione tra vapore bollente e lo zirconio che riveste le barre di combustibile; l'acqua attorno al reattore si è prosciugata portando il surriscaldamento fuori controllo. Gli incendi e la radioattività hanno reso problematico l'accesso negli impianti dei tecnici che cercavano di riprendere il controllo dei reattori. Tuttavia, i contenitori primari (vessel) dei reattori interessati dagli incidenti (n. 1, 2, 3 e 4) hanno resistito alle esplosioni e al surriscaldamento. Gli avvenimenti sono stati classificati dall'Agenzia per la sicurezza nucleare e industriale del Giappone al grado 7 della scala INES, il massimo, a pari livello con il Disastro di Äernobyl'.