本次地震前有一系列前震，包括3月9日震级7.2的地震。这次地震是由于在板块在交界处发生聚合，产生出猛烈的冲击力所造成。
日本东北沿海地区在主震之后余震不断，首次地震后40分钟发生一次矩震级7.1余震，之后又发生四十次矩震级5.0到7.0余震。直到隔日清晨，仍有多次震级5.0以上的余震，最强达到震级7.3。
海啸
各地观测到海啸高度
东北地方人口最多的宫城县，县内沿海城市多遭受海啸袭击。首府仙台市市区在海啸侵袭后造成严重水灾，多数居民被迫撤离。仙台机场跑道大部分被淹，只留下航厦大楼。气仙沼市港边的渔船用油槽被卷倒引发大火，燃烧物随浪潮漂流，全市在一时内陷入火海并燃烧多时。
在美国太平洋海啸警报中心发出警告后，日本、俄罗斯、夏威夷、美国西岸、墨西哥等地均观测到大小不等的海啸。美国阿拉斯加海啸预警中心曾经发布从加利福尼亚州到华盛顿州一带的海啸预警，到达美国西岸一带的海啸高约1至2.4米，至少一名男子被巨浪卷走丧生。而在夏威夷毛伊岛造成的海啸高达2米（6.6英尺）；据此报道，此次地震引发的海啸水墙高度甚至高于太平洋上的部分岛屿。另外在墨西哥和秘鲁沿海地区也测量到约0.7到1.5米的海啸，并冲毁部分房屋，但未造成伤亡。于印度尼西亚巴布亚省的查雅普拉，海啸造成1人死亡，并破坏部分房屋及桥梁。
海啸的成因可能与日本宫城县牡鹿半岛约220千米外海底的海沟轴附近应力的释放有关。海沟轴附近应力的状态由地震前太平洋板块俯冲带来的西北－东南方向的挤压，转变成了西南－东北方向的拉伸。
影响
命名
此次地震发生当日，日本气象厅将本地震命名为“平成23年（2011年）东北地方太平洋近海地震”。
日语：平成23年（2011年）東北地方太平洋沖地震
英语：The 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake
死伤、破坏
日本
至2021年3月，日本消防厅发布公布19747死、2556失踪、6242伤。遭受破坏的房屋1292417栋，为日本二战后伤亡最惨重的自然灾害。灾情尤以东北地方岩手县陆前高田市、宫城县气仙沼市、南三陆町和福岛县南相马市最为严重，NHK新闻形容是次灾难是对东北三县“毁灭性打击”。除了东北地方受灾严重，紧邻的关东地方也传出灾情。由于日本人口最稠密的东京都会区即位于关东南部，导致东京居民的日常生活受到影响。
由于数处发电厂停止运作导致供电不足，关东地方自3月13日起实施分区供电，而宫城县、福岛县多数地区及埼玉县、千叶县部分地区未恢复燃气供应；另外，东北、关东等地有超过100万户没有食水供应。
东北地区
东北地方由福岛县南相马市至宫城县盐灶市约100千米的沿海地区被海啸冲撃造成的泥水流淹盖。岩沼市、名取市海边防风林被撃倒。多贺城市有储油筒着火倾侧，油污流入松岛附近海域污染海面。另外东北个别地区受灾情况如下：
陆前高田市处于被毁灭状态，全市8成以上地方（5,000个家庭）被水淹没，2,000～3,000间房屋被冲走，截至3月12日晚上发现300至400具尸体。消防厅全被破坏，无法联络当地人员确定生还人数。
气仙沼市海湾向内陆约6千米范围被海啸冲击，大量渔船、民房被冲毁，全市3分之1淹没，渔船用油槽被卷倒，3处发生大规模火灾。
福岛第一核能发电厂疑似有核能外泄可能，半径10千米内的住民即被要求撤离。
福岛县南相马市受严重破坏，海啸越过松林席卷沿岸数千米，大量房屋冲毁，随泥水飘流。农产品作物受浸损失。
青森县八户市洪水冲走汽车，多人失踪，许多地区被水淹没。
宫城县东松岛市的日本航空自卫队松岛基地有18架的F-2战斗机、4架T-4教练机、4架UH-60黑鹰直升机等被淹没故障，基地中的200名人员失去联系。
日本其他地区
位于千叶县市原市的科斯莫石油公司（COSMO）千叶炼油厂亦因地震导致厂区内数个储油槽爆炸引发大火，随后因波及其他设置再度发生爆炸，火球升上数十米高空。
东京都因地震发生最少24宗火灾，包括位于台场的东京电信中心大楼。墨田区兴建中的东京天空树有部分支架掉落。东京铁塔的塔顶天线因地震而歪斜。东京迪士尼乐园因地震导致停车场出现“土壤液化”现象，临时关闭。九段会馆有天花板塌下，当时东京观光专门学校（新宿区）有593名师生和家长在内进行毕业典礼，造成2死34伤。
东京都会区的地下铁和铁路交通系统，也因地震所造成的设施损害而暂停运作许久，导致许多居民留宿在临时搭建的避难所或车站之中。
北海道函馆市受2米多高的海啸巨浪冲击，1名男性因醉酒，来不及在海啸警报时逃生而溺毙。
世界其他地区
美国
加利福尼亚州：海南至少有5人被海浪卷走，其中有一名摄影者仍然失踪，失踪者被宣布为已死亡。圣塔克鲁兹码头和船只损失约达200万美元、德尔诺特郡首府出现逾2米高巨浪，损坏约35艘船只，多数码头受损。
俄勒冈州寇里郡的布鲁金斯港约12艘船沉没。
夏威夷州的夏威夷岛有12栋住宅全毁或严重受损。欧胡岛的凯路亚柯纳也造成约100万美元损失。
厄瓜多尔
厄瓜多尔的加拉帕戈斯群岛，基础建设遭到破坏。
智利
智利北部的塔尔卡瓦诺通报海水倒灌。
核电紧急状态
在地震后，宫城县内由东北电力公司负责运营的女川核电站的发电机发生火情，该核电站是距离此次地震震中最近的一座核电站。
据东北电力公司消息，女川核电站机组已自动停止运行。另据共同社报道，震后日本福岛第一核电厂的紧急核心冷却装置也被启动，福岛第一、第二核电站的1号、2号及3号反应堆也自动停止运行[79]，但之后确认已有放射性物质泄漏。
国际原子能机构当天也发布消息称，日本最靠近震中的4座核电站均已“安全关闭”。
核泄漏
11日，有消息称福岛第一核电站2号机组核反应堆内的水位在下降，继续发展可能导致核泄漏。因此，时任官房长官枝野幸男向福岛第一核电站周边3千米内的居民发布紧急避难指示，要求他们紧急疏散，并要求3千米-10千米内居民处于准备状态。这是日本历史上首次因核电站事故原因宣布进入紧急状态。
因为核反应堆无法进行冷却，为以防万一，希望大家紧急避难。
——枝野幸男
接到指示后，福岛县政府发出通报，要求福岛第一核电站2号机组辐射半径2千米以内大熊町、双叶町的居民疏散避难，撤离震级为3000人左右。之后有消息称，该次撤离实际涉及1,864人。
12日下午3时36分左右，福岛第一核电站一号机组发生氢气冷却剂爆炸，4名工作人员受伤，有建筑物天花板及外墙崩塌，仅剩建筑框架。日本政府之后称，发生崩塌的只是厂房的墙壁，而反应堆安全壳其实并没有发生爆炸。后来，疏散半径一度扩大到20千米。
日本经济产业省原子能安全保安院表示，福岛第一核电站反应堆容器中的气压已达到设计值的1.5倍，核电站正门附近的辐射量是通常的70倍以上，而1号反应堆的中央控制室辐射量已升至通常的1,000倍。这是日本首次确认有放射性物质外泄。此前，原子能安全保安院透露，福岛第一核电站1号机组附近检测到核裂变产生的放射性元素铯137，并认为反应炉芯的核燃料正在熔化，NHK称此为日本第一起炉心融毁事故，当日20时20分开始将硼酸注入围阻体里。11日的1号机组核事故被评估为国际核事故分级的第四级。
3月15日清晨6时10分，2号机组反应堆的控制压力池损坏，而引发爆炸，而4号机组发生氢气爆炸导致了火灾，相关单位随后要求厂房半径20千米范围内所有人撤离，30千米内范围内的人留在家中，并将此区空域发布为无限期区域禁飞令。
3月16日清晨5时45分，福岛第一核电站4号机组再度发生火情。
3月18日，日本将核事故程度升为五级。
3月20日，时任内阁官房长官枝野幸男明白表示，在这次地震当中遭到破坏的核电厂，将会废弃，不会复原再行运作。
4月12日，日本原子能安全保安院将本次事故升至国际核事件分级表中的第7级，亦是最高级别。
地质影响
美国地质调查局教授丹尼尔·麦可纳马拉（Daniel Mcnamara）表示，地震使日本本州的海底出现了一条长约350千米（217英里）、宽约80千米（50英里）的裂缝，而日本本州亦因此向东移约2.4米（8英尺）。同时，日本本州部分地方因同震地表变形作用而发生沉降，使海水于海啸后未有退去。意大利的地球物理与火山研究所得到的结论：这场地震使地轴移动了10厘米。加拿大多伦多大学的地质学家安德鲁·迈阿尔（Andrew Miall）表示，地轴因地震移动了25厘米。美国国家航空航天局的地球物理学家理查·葛罗斯（Richard Gross）计算，这地震使地球自转快了1.6微秒。日本东北大学地震和喷火预知研究观测中心发现宫城县牡鹿半岛以外约175千米的深约3200米海床在地震后向东南方向移动了约30米，海上保安厅则发现牡鹿半岛外侧约130千米深约1700米海床移动了约24米。
地质学家布莱恩·阿特沃特（Brian Atwater）指出，此次地震释出的能量接近美国全国1个月的能源消耗量。
日本气象厅宣布，震后日本全国包括富士山在内至少有13座活火山周边的地震活动开始活跃。
各方反应
日本
日本政府于3月12日向国际原子能机构通报了本次事故。该机构的事故紧急中心提出日本必须不间断同各加盟国之间交换事故最新情报的方针，并表示只要日本政府需要将提供技术支援。
3月16日，已鲜有露面的日本明仁天皇破天荒透过电视发表公开演说，对于日本受灾民众在这次重大灾难中所表现出的冷静，给予充分的肯定。这是日本历史上，首次天皇在重大灾难后发表电视演说，1995年的阪神大地震，明仁天皇仅以书面声明鼓励日本民众。在此次的电视演说中，明仁天皇同时向国内外提出呼吁，希望能够进一步关心灾区和灾民，并全力协助重建。此次地震影响造成东京必须分区供电，天皇主动要求全部皇室人员配合政府限电措施，能不要用电就不要用，尽量将资源留给受灾民众。
而原本受英国皇室邀请参加4月底威廉王子婚宴的德仁皇太子夫妇，因考虑到国内人民正逢世纪灾难，故以“国难”为由感谢受邀并婉拒出席，仅以书面向英方道贺婚讯。在震后第19天，明仁天皇夫妇亲访设立在东京武道馆的暂时安置所，探望失去家园和亲人的民众，天皇明仁和皇后美智子两人跪坐在灾民面前，关切的倾听灾民的心声并给予温暖的抚慰，两人探望灾民的时间还超过原定时间1小时。
3月23日，《朝日新闻》早间版报导，东京电力可能需要最高1兆日圆用于维修地震中受损的核电厂，并支付其他费用。该报导提到，日本三家大型银行三菱东京UFJ银行、三井住友银行、瑞穗实业银行将于3月底向东京电力提供1千亿日圆的紧急贷款，并考虑再向该社提供额外贷款。同时间，日本政府也准备通过关联金融机构向东京电力发放贷款。