Zemestrīces hipocentrs atradās 30 km dziļumā zem Klusā okeāna gultnes. Zemestrīce notika Japānas dziļvagā, kur saduras divas zemes garozas struktūras: Klusā okeāna plātne un Amerikas plātnes daļa Ohotskas plātne. Smagākā okeāniskā Klusā okeānā plātne subdukcijas rezultātā ieslīgst zem kontinentālās Ohotskas plātnes, uz kuras atrodas daļa Eirāzijas kontinenta un Japānas salas. Šis process izraisa regulāras un spēcīgas zemestrīces, tomēr to spēks konkrētajā reģionā ticis prognozēts līdz 8—8,5 ballu stiprumam, tādēļ šīs zemestrīces stiprums bija seismologiem negaidīts.
Zemestrīce izraisīja postošus cunami Japānas piekrastē, to augstums sasniedza 10–14 m, bet visaugstākais reģistrētais Ofunato pilsētā pat 23,6 m.[2][3] Cunami izplatījās pāri visam Klusajam okeānam, sasniedzot Ameriku.
Zemestrīces stiprums bija 9,0 balles pēc Rihtera skalas (sākotnēji tās stiprums tika ziņots kā 7,9).[4] Tā bija spēcīgākā zināmā zemestrīce Japānas vēsturē un viena no piecām zināmajām spēcīgākajām zemestrīcēm pasaulē.[5] Postījumu un bojāgājušo skaita ziņā tā atpalika no dažām citām vājākām zemestrīcēm, kas agrāk notikušas Japānā. Zemestrīcē gāja bojā vairāk nekā 15 000 cilvēki, tika ievainoti aptuveni 6000, bez vēsts pazuduši — vairāk kā 2000.
Zemestrīces rezultātā darbību automātiski pārtrauca 11 reaktori četrās atomelektrostacijās. Nopietnākā avārija notika vienā no pasaules jaudīgākajām AES — Fukusima I, kas atrodas 250 km uz ziemeļiem no Tokijas, kur cunami radīja traucējumus elektropadevē reaktoru dzesēšanas sistēmām. Avārijas rezultātā ir notikusi cilvēka veselībai bīstama apjoma radiācijas noplūde apkārtējā vidē. Divdesmit kilometru rādiusā ap AES evakuēti ap 200 000 iedzīvotāju. Vairākkārtēji sprādzieni atomelektrostacijas reaktoros un to izraisītie ugunsgrēki ir radījuši draudus par vienas no lielākajām kodolkatastrofām pasaules vēsturē iespējamību. Atbildīgās institūcijas Japānā ilgstoši incidentu vērtēja ar 5. līmeni pēc Starptautiskās kodolnegadījumu skalas, tomēr citu valstu eksperti uzskatīja, ka avārija varētu būt vērtējama kā 6. vai pat 7. līmeņa katastrofa (līdz šim augstāk par 5. līmeni novērtēti tikai divi kodolnegadījumi, visaugstākais 7. līmenis piešķirts Čornobiļas AES avārijai).[6] 11. aprīlī arī oficiāli Japānas avoti atzina, ka avārija Fukušimas AES ir vērtējama kā augstākā 7. līmeņa katastrofa.[7]
Neraugoties uz intensīviem glābšanas darbiem pēc avārijas situācija atomelektrostacijā turpināja pasliktināties un 25. martā tika izsludināta evakuācija no teritorijas plašākā rādiusā — 30 km ap AES. AES apkārtnē turpināja paaugstināties radiācijas līmenis un marta beigās radioaktīvais piesārņojums Klusajā okeānā un sauszemē normu pārsniedza jau tūkstošiem reižu, maksimumu sasniedzot 31. martā, kad jūras ūdenī pie AES piesārņojums ar radioaktīvo jodu pārsniedza normu par vairāk kā 4000 reizēm.