本章节主要讲述地震发生后的各种次生灾害。
沉降状况
在震前，东日本因为太平洋板块隐没至北美板块下时的压力而向西压缩及微上升；地震释放大量压力后，北美板块被拉向东边，也因此震后有不少地方受沉降的影响，甚至有部份的沿海区被水没。根据日本国土地理院的数据，在日本本土内被观测到最大的垂直移动位于宫城县石巻市鲇川滨，比震前沉降了1.14米；最大的水平移动则在宫城县女川町江岛，比震前向东南偏东移动了5.85米。
被设置在宫城外海，就在震源地正上方的基准点「宫城外海1」比起震前向东南偏东移动24米、隆起约3米，是海底基准点中位移最多的一个。另外，根据海洋研究开发机构的研究，在海沟近震源的地方更是向东南至东南偏东水平位移50米，垂直位移7~10米的程度。
土壤液化
此地震导致东日本很多地方发生土壤液化现象，尤其在河川周边的人造土地的液化状况非常严重，甚至有建筑物因此产生不同程度的损伤。另外，由于关东地区长时间受到颇大的长周期震动，而且强馀震频繁，令液化灾害范围扩大及恶化。根据报导，出现液化现象的总面积不少于42平方公里，比起在半个月前发生的纽西兰地震范围更广。
海啸灾害
由于日本气象厅当初发出海啸警报是基于其震级（第一报M 7.9）的推定而估算，因此在14时49分，摇晃还进行当中向东北三县—岩手、宫城、福岛发出大海啸警报，而其他太平洋沿岸的县则是海啸警报和海啸注意报。但实际上此次地震、海啸的强度远超其第一报估算的强度，矩震级无法及时算出亦错过了更新海啸警报的时机，直到有外海的海底水压计测到海啸的高度达5m，气象厅才转为手动予测海啸的高度，然后在15时14分、15时30分两度更新警报，将大海啸警报、海啸警报、注意报的范围一口气扩大。
警报范围到翌日（3月12日）3时20分达到最广，整个日本，包括离岛的沿岸都挂上海啸注意报以上；大海啸警报则由北海道面向太平洋的沿岸部一直延伸至四国。气象厅对日本的海啸警报整整挂了两天以上，最后于3月13日17时58分才解除所有海啸警报。
根据国土地理院以航拍进行分析，因海啸而浸水的总面积，东北关东两地区（青森、岩手、宫城、福岛、茨城、千叶）六県62个市町村共佔了561平方公里。另外，从气象厅提供的资料，沿岸部测得的海啸波高以岩手、宫城、福岛三县最高，最高分别测得8.5米以上、8.6米以上、9.3米以上的海啸，且其后检潮计损毁无法提供往后的资料；青森及北海道分别4.2米以上和3.5米；其他太平洋沿岸皆录得1~3米程度，即使是日本海侧的沿岸也测到未满1米的海啸。
至于实际的最大波高以及溯上高，不同的研究机构给出的数值均不一。例如日本气象协会推定三陆海岸海啸达到10~15米；而全国海啸共同调查团队则根据实地调查的结果，表示本次地震的最大溯上高位于岩手县大船渡市绫里湾，高度达到40.1米，刷新了明治三陆地震于同市绫里地区留下的38.2米的纪录，成为日本观测史上最高的海啸溯上高纪录。另外东京大学地震研究所准教授都司嘉宣的个人调查，在宫城県女川町笠贝岛有可能达到43米。
因为此次的地震强度比以往观测的要强，很多根据以往三陆地震的预想而建造的防波堤，经过地震造成的沉降后，变得更加无法抵挡海啸的威力而被摧毁。其中包括2009年才建成，拥有「世界最深防波堤」金氏世界纪录，位于釜石港湾口防波堤，在海啸的侵袭下有七成被摧毁，但仍成功为当地居民争取6分钟的逃难时间。
至于海外的海啸高度则相对低，俄罗斯千岛列岛等最大3.3米程度；至于中国方面，浙江录得最大0.55米、台湾录得0.1米、香港亦录得0.2米；美国夏威夷录得最大3.7米、加州录得最大2.0米。
福岛第一核电站事故
位于福岛县双叶群大熊町的福岛第一核电站先受到震度６强的烈震，且其最大加速度超出设计值四分之一，在50分钟后，溯上高10至15米的海啸侵袭到电站内，裡面大量的器材因浸泡而损坏又或者被冲走，导致电力完全丧失无法对机组进行冷却。
在其后，不同的机组因为过热先后发生爆炸，对外洩漏了大量的辐射污染了大气和海洋。对此，日本原子力安全保安院于4月12日将福岛第一核电站的事故升级至国际核事件分级表中最高的第七级，是第二个被评为第七级事件的事故。因为此事件的发生，全球不少国家开始重新反思核能的安全性，甚至部份尝试推动由核能发电转型至其他可再生能源（风力、水力、太阳能等）、或者回归到火力发电。