지진 직후 도호쿠 지역 일대의 원전 29기 가운데 11기의 가동이 중단되었다. 또한 동일본대지진 1시간 후 후쿠시마현의 후쿠시마 제1 원자력 발전소에 최대 14-15m의 지진 해일이 덮쳐 원자력 발전소 1-5호기 전부가 전원이 끊겼다. 원자로를 냉각할 수 없게 되자 1호기부터 3호기까지 멜트다운이 일어났다. 이 멜트다운은 대량의 방사성 물질이 유출되는 후쿠시마 제1 원자력 발전소 사고로 이어졌다. 이 사고는 국제 원자력 사고 등급에서 최악인 7인, 체르노빌 원자력 발전소 사고와 같은 등급을 받았다. 후쿠시마 원전이 있는 후쿠시마현 하마도리를 중심으로 주변 지역 주민의 피난이 장기화되고 2012년부턴 "귀환곤란지역", "거주제한구역"이 설정되었다.(영향 문서 참조) 원자력 발전 사고 외에도 여러 화력발전소도 지진의 영향으로 작동을 중지하면서 도쿄 전력이 관할하는 간토 지방은 심각한 전력 부족에 빠져 지진 직후 일본은 65년만에 처음으로 윤번정전을 실시했다. 지진 직후 시작된 계획 정전은 2012년 여름 오이 원자력 발전소 재가동 문제가 불거지면서 다시 나타나기도 하였다.