安政南海地震
江戸時代の関連地震
江戸時代には南海トラフ沿いが震源域と考えられている巨大地震として、この他に宝永4年（1707年）の宝永地震の記録がある。また、安政地震については「宝永地震の後始末地震」だった可能性も考えられ、この宝永地震後の再来間隔147年は南海トラフ沿いの巨大地震としてはむしろ短い部類になるとの見解もある。
慶長9年（1605年）に起きた慶長地震も、かつては震源域が東海道・南海道に亘り、南海トラフ沿いの津波地震と考えられていた。慶長地震の震源域には諸説あり、南海トラフ沿いの巨大地震とするには多くの疑問点が残り、南海トラフ沿いの地震ではなく例えば伊豆・小笠原海溝沿い、あるいは遠地津波の可能性もあるとする見解も出されている。
安政南海地震の2日後には豊予海峡でM 7.4の豊予海峡地震が発生。また翌年には安政江戸地震(M 6.9-7.4)が起きた。本地震や安政東海地震は安政江戸地震と合わせて「安政三大地震」とも呼ばれ、伊賀上野地震から1858年飛越地震まで安政年間に連発した一連の大地震を安政の大地震とも呼ぶ。
この地震に関する古記録は歴史地震としては非常に多く残されている。安政の頃になると日記に加えて手紙などにも地震の記述が現れるようになり、被災時の人々の詳細な行動記録まで残るようになる。
地震動
嘉永七年甲寅十一月五日庚午の申下刻（七ツ半）（1854年12月24日、日本時間16時半頃）、紀伊半島から四国沖を震源（北緯33.0°、東経135.0°）とする巨大地震が起きた。フィリピン海プレートがユーラシアプレート下に沈み込む南海トラフ沿いで起きた海溝型地震と考えられている。
当日、土佐は小春日和の快晴で、高知城下は南川原にて相撲巡業があり、見物客が群集をなすところに地震が襲い、一時大混乱に陥った。『桑滄談』の記録によれば土佐入野（現・黒潮町大方地区）においては、初めゆるゆる震い次第に強くなり、やがて激震になったという。
畿内では昨日の東海地震に続いて「又々大地震」となり、特に河内平野において、若江（現・東大阪市）を中心に半径約4kmの範囲で家屋倒壊が見られ、震度6弱から最大震度6強と推定される場所が分布した。ここは弥生時代に河内湖が存在した場所に一致し、陸化して1000年以上経過しても地震の揺れが強く現れる場所として存在し続けた。三河吉田、田原および名古屋など前日に地震津波で甚大な被害となった東海地方各地でも、又々長い地震動に続いて西方から雷鳴が聞かれた。新居宿では暮六ツ時（17時頃）に地震少々震う内に日の入りとなり、申酉（西）の方から「どう／＼／＼」と鳴音が大雷の如くなりと記録されている（『安政大地震』新居町関所資料館）。
小浜（現・小浜市『続地震雑纂』）や尾鷲九鬼（現・尾鷲市『九木浦庄屋宮崎和右衛門御用留』）では地震動は南海地震より東海地震の方が強く感じられたが、那智勝浦（現・那智勝浦町『嘉永七年寅十一月 大地震洪浪記録書』）や湯浅（現・湯浅町『深専寺門前碑文』）・広（現・広川町『濱口梧陵手記』）では南海地震の方が強く感じられた。京都（現・京都市）では東海地震の方がやや強いか（『安政元寅年正月より同卯ノ三月迄御写物』）、ほぼ同程度で（『御広間雑記』）、大坂でも両地震の強さは同程度であり（現・大阪市『鍾奇斎日々雑記』）、破損の度合いを加えたが、南海地震では津波被害も加わった。
震度6と推定される領域は四国の太平洋側から紀伊水道沿岸部、淡路島、大阪平野および播州平野、震度4以上の領域は九州から中部地方に及び、震源域の長さは約400kmと推定される。
中国（当時は清王朝）でも有感だった。『中国地震歴史資料彙編』には江蘇粛県や嘉定（現在の上海市嘉定区）で「水溢地震」、上海で「黄浦水沸二三尺、嘉定、蘇州皆同」と記されており、震央から約1300km離れた上海付近でも有感であったという。津波が到達したとする説もあるが、長周期地震動によるセイシュが水面を動揺させた可能性もある。2日後の豊予海峡地震でも上海付近でかなり揺れたらしい。
地殻変動
地震による地殻変動の結果、四国、紀伊半島は南東上りの傾動を示し、串本（現・串本町）は1-1.2m、室戸岬は1.2mそれぞれ隆起した（汐四尺程へり『久保野繁馬所蔵記録』）。足摺岬は伊佐浦で五尺（約1.5m）隆起した（『嘉永七寅年地震津浪記』）。
加太（現・和歌山市）1m、甲浦（現・東洋町）は1.2m沈下、高知周辺も3.5尺（約1m）沈下して潮江村、新町下知一円など新田の所が海となった（『続地震雑纂』）。宇佐（現・土佐市）でも「宇佐福嶋一面の海と成る」（『眞覚寺日記』）の記録があり、上ノ加江（現・中土佐町）では『大変略記』に「上の賀江久礼平生潮より五尺高、在所に迄汐入る」とあり地盤は1.5m沈下した。
地震により道後温泉は106日間にわたり湧出が停止した。翌年2月23日（1855年4月9日）から再び湧き出し（『松山市要』）、4月6日（1855年5月21日）から元のように入浴が許された（『転変奇説集』）。鉛山村温泉も崎之湯は翌年3月まで1滴も出ず、湯ノ峰温泉も翌年の2月か3月頃まで湧出が停止した（『田所氏記録』）。
このような南東上がりの地殻変動は宝永地震および昭和東南海・南海地震と同様であり、南海トラフ西側においてユーラシアプレートが衝上する低角逆断層のプレート境界型地震であることを示唆している。
規模
河角廣(1951)は規模MK = 7. を与え、マグニチュードは M = 8.4に換算されている。宇佐美龍夫(1970)はこの河角の規模と気象庁マグニチュードの関係を検討し、やはり8.4に近いであろうと推定したが当時はモーメントマグニチュードという概念は存在せず、1960年のチリ地震もM 8.5とされていた、1975年に安藤雅孝は、数値実験から2つの大きな断層モデルを仮定し、1981年の相田勇のモデルは、安藤のモデルの内、東側の断層を北側へ移動させたものであった。各断層個別のモーメントマグニチュード Mw は西側からそれぞれ、8.4, 8.2（合計で Mw = 8.5）と推定された。この断層モデルは1946年南海地震の紀伊半島側の断層モデルを北側にずらし四国側の断層モデルを延長して、それぞれのすべり量に多少の変更を加えたものであった。
内閣府の「南海トラフの巨大地震モデル検討会」による「南海トラフ沿いの巨大地震による長周期地震動に関する報告」では、東海地震を含む安政地震全体としてMw8.84の断層モデルが想定され、同モデルを用いた建築研究所では安政東海地震の断層モデルとして地震モーメントM₀ = 9.02 × 10²¹N・m (Mw8.6)を想定しており、この地震モーメントを差し引けば安政南海地震はMw8.7となる。
下田・遠地津波
前日の東海地震津波で壊滅した下田は再び2mの津波に洗われ、アメリカ西海岸のサンフランシスコやサンディエゴの験潮場でも1フィート（0.3m）の津波を観測した。中国でも江蘇省丹徒県において揚子江の水面の震動が見られた。
紀伊半島
津波襲来前には各地で大砲を撃つ様な音が聞こえ、紀伊田辺では「又坤に当て黒雲の中より火の玉飛出、海中に入事七八ツ、夫れより海鉄砲の音トーン／＼と鳴渡り」（『干鰯屋善助翁手記』）という記録もある。また田辺の新庄では「海鉄砲三ツ鳴り、峯に登り少し過し候得ば津浪にて大土手崩れ白波立チ来り申候」（『塩崎幸夫家文書』）という記録もある。
同文書には前日の東海地震では「震（中）五ツ時分、半時余り」とあり浪が入ったことが記され、五日の南海地震は「震（大）七ツ時分よりゆり出し井戸の水も飛出申候」とあり、さらに津波は第3波が最大であったことが記されている。
津浪之事
一番潮ニ峯之家流れ、其外小家ハ下拙家より外下へ皆流申候
二番潮ニて大分家流れ申候
三番潮高サ三丈余、此時下拙之家倉其外納屋一度ニ流れ申候、峯之倉も此時流れ申候、其外五反田迄流れ申候
四番ヨリ大潮も段々少しニ成申候、下拙ハほそ入山畑ヨリ見候故然とハ存不申候
廿度程寄候
遡上高8mの津波が襲来した紀伊広村において濱口梧陵（濱口儀兵衛, 物語では濱口五兵衛）が稲藁に火を着けて津波の襲来を村人に知らせて避難を誘導した逸話は小泉八雲による稲むらの火の物語となり、今村明恒の提言により尋常小学校5学年の国定教科書にも採用された。
ただし、物語では「今の地震は、別に烈しいといふ程のものではなかった。しかし、長いゆつたりとしたゆれ方と、うなるやうな地鳴りとは、・・・」となっているが、実際の広村の揺れは『濱口梧陵手記』に「其激烈なる事前日の比に非ず。瓦飛び、壁崩れ、塀倒れ、塵烟空を蓋ふ」とある程烈しいものであった。また物語の五兵衛は「これは、たゞ事ではない。」、「大変だ。津波がやつて来るに違ひない。」と村人らに津波の襲来を知らせた設定になっているが、実際には前日の東海地震とそれに伴う津波を経験しており、南海地震の強い揺れで誰もが大津波を予測していた。地震動については本作品が執筆された直前に発生した明治三陸津波から小泉八雲が何らかの示唆を得た可能性もあり、このように物語と事実の相違点が幾つか見受けられるものの、物語の文学的価値は事実とは左程関係は無くむしろ事実を歪めたがゆえにその価値を高めた節があると今村明恒は評価しており、津波の教訓を子供に教えるものとして高く評価されるべきものである。
さらに実在の儀兵衛（梧陵）は物語以上に嵩高・英雄的・献身的であり、醤油で財を成した彼は、その私財銀94貫344匁を投じて延長652.3mの堤建設の造営費とした。
大坂
大坂では地震動の後2時間足らずで波高2.5-3mの津波が安治川や木津川の河口から遡上し、河口付近に碇泊していた数百隻の千石船などの大船が押上げられ橋を破壊し多くの溺死者を出し、周辺の家屋や土蔵にも破損や倒壊の被害を及ぼした。これは宝永地震津浪の時と全く同じ様相であった。
阿波
阿波では東由岐（現・美波町）で家屋が百数十戸流失し死者が夥しく（『東由岐修堤碑』）、牟岐（現・牟岐町）では高さ3丈余の汐で浜先の家々数百軒が将棋倒のように破壊され、人々が山上に逃げ登り、20人余が流死した（『牟岐町誌』）。
海部郡の浅川港では前日の東海地震の揺れと津波で丘に避難し、翌日も丘で様子を見ている所に南海地震とそれに伴う津波が起きた。
宍喰（現・海陽町）では前日辰ノ下刻（午前9時頃）中ゆりの地震（東海地震）の後、俄かにあぶきを生じて宍喰川に3度津波が入り込んだ。諸人驚いて逃散し、米麦諸物を山上に運び上げ騒動となった。5日の朝、潮の狂いが少なくなり人々が荷物を携えて家に立ち戻リ始めたが、午ノ刻（正午頃）日陰が黄色に変じ人々が怪しみ、また逃げ支度をし諸物を山上に運び上げている所に申ノ下刻（16時半頃）極大地震となり、地割れから水を吹きあげた。津波により家271戸のうち141軒が流失し8人が流死（『阿波海嘯誌略』）した。宍喰浦には本地震による津波被害に加え、永正九年、慶長九年、宝永四年津波について古文書をまとめた旧記『永正九年八月四日・慶長九年十二月十六日・宝永四年十月四日・嘉永七寅年十一月五日四ヶ度之震潮記』（略して『震潮記』）が現存している。
現在の小松島市では、海外線から内陸に1キロメートル以上入った旗山や豊浦神社（赤石町）まで津波が達した（『異事時変説』や神社の碑文による）。
前兆
『今昔大変記』には「大地震する時は四、五年前より天気不順するものなり」とあり、約1か月前の10月1日頃には干潟が広がり異常な干潮により船を出すのに往生したという（『三災録』）。地震の3 - 5日前には海底の鳴動、地鳴り、遠音、虹が見られ、浦戸湾で現れる「孕のジャン」は古来より大地震前後に鳴動があったことで知られる。
また、ミミズが地中より這い出し死に（『三災録』）、井戸水が枯れたり濁るなどの現象（『今昔大変記』）も見られた。以上のような現象が古文書には記載されており、地殻変動による隆起と思われるものもあるが、地震との因果関係については不明な点が多い。
南海地震発生の日の朝、熊野地方や高知付近で太陽が異様に赤色や黄色に染まる現象が見られたとされるが（『古座年代史』、『嘉永土佐地震記』）、これは前兆ではなく前日の東海地震による火災の粉塵が舞い上がったことが原因と推定されている。
土佐入野において地震の前日には『桑滄談』に「朝辰刻（8〜9時）小地震ありて長し。」との記録があり、土佐伊田（現・黒潮町佐賀地区）では『大潮大変記』には「漣（すずなみ）と言うもの入来り」とあり潮の満ち干が4〜5回見られ、当時この地方に壊滅的打撃を与えた南海地震津浪の前兆のように云われたが、これらは東海地震とその津波によるものと見られる。
次期南海地震への警戒
南海トラフ沿いの巨大地震は凡そ100年から200年程度で繰り返されていると考えられており、1946年に発生した昭和南海地震(Mj = 8.0, Mw = 8.4)よりも宝永地震や安政南海地震の震害や津波災害の方がより甚大であったこと、さらに次期東南海地震、東海地震の震源域と連動して宝永型の様に広範囲の震源域となる可能性も考えられることから、21世紀中に起こると予想される地震への対策が求められている。