鉄道は上越新幹線で「とき325号」が脱線（上越新幹線脱線事故を参照）したほか、線路や橋脚が破壊され、それに加えてトンネルの路盤が盛り上がるなどの被害が発生した。国内の新幹線の営業運転中の脱線事故は開業以来初めて（詳細は鉄道事故の項を参照のこと）。また在来線も上越線・信越本線・飯山線・只見線・越後線も路盤の崩壊など甚大な被害を受けた。また27日午前に発生した余震の際には、JR長岡駅大手口の外壁が崩壊する可能性があるとして一時閉鎖された（その後安全が確認され、同日夕刻から営業を再開した）。道路は北陸自動車道や関越自動車道などの高速道路、国道17号や国道8号などの多くの一般国道、多くの県道や生活道路も亀裂や陥没、土砂崩れ・崖崩れによって寸断された。このため山間部の集落の一部はすべての通信・輸送手段を失って孤立した。とりわけ古志郡山古志村（現・長岡市山古志地域）は村域に通じるすべての道路が寸断されたため、ほぼ全村民が村内に取り残され、自衛隊のヘリコプターにより長岡市・小千谷市などへ避難させる作業が行われた。主要地方道の小千谷川口大和線の木沢トンネルも損傷したが、崩落箇所を修復し復旧した。
電気・ガス・水道・電話・携帯電話・インターネットなどのライフラインが破壊されたほか、新潟県への電話が集中したため、交換機が輻輳し、発信規制がかけられた。また、山間部へ続く通信ケーブルや、その迂回路も破壊され、外部からの情報にも孤立する自治体が出た。特に阪神・淡路大震災以降、災害に強いと思われてきた携帯電話については、震源地周辺では中継局の設備損壊や停電などがあり、中継局の機能維持のために非常用として蓄電されていた予備のバッテリーも、通話の集中によって1日あまりで使い果たされてしまうなどしたために、中継局そのものの機能が停止し通話不能となるなど広範囲で使用不能となった。柏崎刈羽原子力発電所・福島第一・第二原子力発電所（東京電力）と女川原子力発電所（東北電力）を含めた発電所への被害はなかった。
山古志村芋川流域では842か所で崩落が起き、52か所で自然ダム（河道閉塞）を生じ、一部では湛水による被害を生じた。こうした河道閉塞により、村内の複数の集落で大規模な浸水の被害が出ており、下流域では土石流が発生する危険性があるため、ポンプによる排水や、河道付近の民家を撤去するなどの措置が取られた。また地震発生当時、幸いにも水位が低かったために被害は発生しなかったが、信濃川の堤防の一部にも亀裂が生じた。
この地域は、ユーラシアプレートと北米プレートが衝突する日本海東縁変動帯の陸域の新潟-神戸歪集中帯の中でも、強い褶曲を受け複雑な応力場を生じている地域である。北北東 - 南南西方向の軸を持つ複背斜構造があり、震源域となった新潟堆積盆地の東縁（信濃川の東岸）の東山丘陵と魚沼丘陵は、中新世以降に堆積した5,000メートル以上の堆積物が堆積している。地震発生直後の調査では、地表地震断層が出現した小平尾断層と六日町盆地西縁断層の北部が活動したと考えられたが、その後の調査で前述断層帯が原因となった可能性を否定する結果が得られている。阪神・淡路大震災のように明瞭な断層線が地表に出現しないことから、従来知られていた活断層（小平尾断層、六日町盆地西縁断層、信濃川低地西縁断層、信濃川低地東縁断層など）の活動ではなく、厚い堆積層下の未知の断層の活動による地震と考えられている。メカニズムとしては、北西 - 南東圧縮の逆断層型の地震である。本震および余震の振動波形や余震分布の解析結果によると、本震を発生させた滑り面とは別に並行する別な滑り面と本震と直交する合わせて3つの滑り面が存在した。
新潟県北魚沼郡川口町（現・長岡市）の直下を震源として発生した逆断層型の内陸地殻内地震で、震源直上の川口町では最大震度7を観測した。震度7を観測したのは、1995年の阪神・淡路大震災以来9年ぶり、観測史上2回目。なお、阪神・淡路大震災では気象庁などの調査によって震度が判定されたため、震度計で震度7が観測されたのは初めてである。また、M6を越える規模の大きな余震が複数回発生するなど、余震回数が多く群発地震的様相を呈したことも特徴のひとつである。気象庁はこの地震を平成16年（2004年）新潟県中越地震（英: Mid Niigata Prefecture Earthquake in 2004）と命名した。英語圏ではNiigata Prefecture Chuetsu Earthquakeなどの表記が多く用いられた。また、一般的ではないものの、新潟県はこの地震による震災を新潟県中越大震災と命名し、この呼称を11月29日より使用している。
スヴェトロゴルスク付近は、歴史的には東プロイセンのサンビア地方に属している。現在のスヴェトロゴルスクの位置にあった「Ruse-moter」という漁師町のことが1258年の記録に初出している。ドイツ騎士団がプルーセン人を征服すると、地名はドイツ語風になまって「Rause-moter」「Raushe-moter」となり、最後にはラウシェン（Rauschen）になった。19世紀前半、漁村だったこの地は都市住民の休暇の行き先として人気を博し始める。1820年6月24日、ラウシェンは公式にスパの町と認定され、温泉療養地となった。プロイセン王フリードリヒ・ヴィルヘルム4世は1840年にこの地を訪れ、海沿いの美化を命じた。ケーニヒスベルクからの鉄道（ザムラント鉄道）が1900年に繋がり、ラウシェンはますます繁栄した。第一次世界大戦前には駅から浜辺へ降りるケーブルカーなどもできた。作曲家オットー・ニコライ、作家トーマス・マンらもこの地を訪れている。独ソ戦末期の1945年、東プロイセン攻勢でソビエト赤軍がラウシェンを制圧した。戦闘では大きく破壊されず19世紀末以来の歴史的建築が今も残っている。戦後はソ連の一部となり1946年にはスヴェトロゴルスク（明るい山）と改名された。ソ連時代はカリーニングラード州全体が閉鎖都市となったため外国人観光客は来なくなったものの、カリーニングラード州民の休暇の行き先として栄えていた。今日でも砂浜やスパリゾートやクラブなどが多くの客をひきつけている。