本文主要講述地震的發生、巨大地震構造、前震及餘震活動。
主震简述
主震发生于日本时间3月11日14时46分18.1秒（北京时间14时46分18.1秒），震源是牡鹿半岛东南偏东130公里的海底，震源深度约为24公里。从震源机构解分析，这是属于一次逆断层型的地震。
连动型地震
本次的地震跟以往的三陆近海地震不同的是，今次由宫城县外海（三陆近海）为震源开始滑动，触发再外侧的一个沉睡以久的巨大震源域发生巨大的滑动，此后再向南扩展到茨城县外海为止，触发至少四个已知的震源域，其涉及的总面积为500公里长，200公里阔，其巨大震源域的滑动量相当大，最多更达到62米，这比起以往的超巨大地震（如2004年印尼苏门答腊地震）更严重。
也因为这样断层破坏持续数分钟的超巨大地震，日本气象厅当时测出来的气象厅震级到Mj 7.9开始出现饱和现象，后来经过多次向上修正。首先于16时修正为Mj 8.4；但因为日本国内的广域地震计几乎全部破表，导致平常15分钟内就能算出来的矩震级要花上近一小时才能计算出Mw 8.8，并于17时30分对外发佈，在这时点已经是日本观测史上最强的地震；最后利用国外的波形数据等，于3月13日对外发佈Mw 9.0为本次地震的最终值。
美国地质勘探局（USGS）则最初发佈矩震级为Mw 8.8；地震发生34分钟后向上修正至Mw 8.9；发生6小时后已经修正至Mw 9.0，成为1900年以来第五个震级达到9或以上的地震；2016年11月7日经研究和复核后，将其主震震级再向上修正为Mw 9.1，与2004年印尼苏门答腊外海地震（USGS官方值）并排世界第三强。
极广范围的震感
因为本次主震震源域非常广阔，导致剧震区域亦变得相当广阔。同时，因为涉及多次带时间差的断层破坏，在不同的地方产生的S波传播需时，很多地方的地震波都呈现两三个或更多的地震峰值，且时间非常长，东日本全域的摇晃时间达6分钟，长周期的地震动更长达10分钟或以上。
宫城县的栗原市在这次地震录得震度７，是观测史上第三次，而在地震速报的阶段就对外发表震度７则是首次。东日本太平洋侧的县市（岩手、宫城、福岛、茨城、栃木、群马、琦玉、千叶）基本上震度达到６弱甚至６强；南关东（神奈川、东京都）、东海道地区（山梨、静冈）以及东日本日本海侧的县市（青森、秋田、新潟、长野）则达到震度５弱或５强；北海道以及再远一点的甲信越地区震度４；远至近畿地区（京都、大坂、奈良）都能录得震度３。
有感范围最远到鹿儿岛，亦有震度１。另外，根据气象厅的推估福岛县磐城市可能达到震度７；防灾科学技术研究所于栃木县芳贺町录到震度７（计测震度值6.51），可是前者只是推估而非实际的观测值；后者则因为不是气象厅用于发佈震度的对象震度计，因此未有被採纳。
前震活动
最为显着的前震活动是3月9日的一次Mj 7.3的地震，当时在宫城县录得最大震度５弱，并发出了海啸注意报，最后录得0.6米的海啸；其后于3月10日再发生一次Mj 6.8．最大震度４的地震，当时被认为是3月9日地震活动的最大馀震。
另外，由2月中旬开始到发生前这一个月的时间发生了两次慢滑动的事件，其中第一次由2月中旬持续到2月末，第二次就在3月9日的地震活动之后，这两次的慢滑动总共放出了相当于矩震级Mw 7.1地震的能量，研究表示这些慢滑动促成了今次的超巨大地震。
北海道大学教授日置幸介利用GPS的连续观测网GEONET进行调查，发现震源域的上空电离层在震前40分钟发生电子密度增大的情况，这在1994年北海道东方近海地震和2010年智利地震皆有发生同样的情况，这有可能成为一种可以超短期内预知巨大地震发生的手法。
馀震活动
馀震非常活跃，即便是主震过后的一小时内，就已经发生3次震级达到Mj 7.0以上的大型馀震，其中于日本时间15时15分发生的茨城县外海地震，震级达到Mj 7.6（Mw 7.9），是至今以来的最大馀震；
另外，馀震的发生范围亦与主震的震源域一样广阔，整个三月裡，震级达到M5.0的馀震有479次、震度１以上的有感地震则超过3000次；日本气象厅在2018年3月10日发表的报告中，提及到由主震发生至2018年3月6日为止，一共有10次M7.0以上、127次M6以上、929次M5以上的馀震；震度４以上383次、震度１以上更达到13386次。以馀震的密度来说，就算放诸世界的巨大地震如2004年印尼苏门答腊地震和2010年智利地震亦无法与其比拟。
同时，本次地震亦诱发了好几场地震，这包括3月12日凌晨时份一连串的长野县北部地震（最大震度６强）以及3月15日的静冈县东部地震（最大震度６强），不少的地震专家表示这是因为主震过后，以东日本为中心发生了地壳变动和应力的变化，令到一些地震可能提早发生。