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Il sisma ha provocato lo spegnimento automatico di undici centrali nucleari da parte dei sistemi di emergenza.

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La grande energia del sisma potrebbe aver causato lo spostamento dell'asse terrestre di circa 17 centimetri e spostato le coste del paese di 4 metri verso Est causando anche mutazioni del fondale marino.

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Il terremoto di Tohoku del 2011 ha colpito al largo del Giappone, lungo una zona di subduzione, dove due placche tettoniche della Terra si scontrano.
In una zona di subduzione, una piastra scivola sotto l’altra nel mantello, lo strato più caldo sotto la crosta.
La placca più densa sprofonda sotto quella meno densa: quando la tensione causata dalla subduzione viene rilasciata improvvisamente, si verifica un terremoto.

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Meno di un'ora dopo il terremoto,  la prima di molte onde dello tsunami ha colpito la costa del Giappone.
Le onde hanno raggiunto altezze di oltre 10 metri, inondando una superficie di circa 561 km quadrati. In particolare, nella prefettura di Iwate si è registrata l’onda più alta che ha raggiunto l'altezza di 40,5 metri.
Lo tsunami ha impiegato circa nove ore e mezza per attraversare il Pacifico e arrivare alla costa occidentale degli Stati Uniti, dove ha causato pochi danni.

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In data 11 marzo 2011, alle 14:46, un terremoto di magnitudo 9.0 ha colpito al largo della costa orientale del Giappone.
L'epicentro fu a 130 km ad est di Sendai, e 373 km a nord-est  di Tokyo ad una profondità di 30 km.