東北地方太平洋沖地震
しかし実際には地震があまりに巨大だったため、地震発生から約1時間14分後(16時)に発表された暫定値の気象庁マグニチュード8.4でも正確な規模の把握はできなかった。通常15分程度で算出できるモーメントマグニチュードも、国内の広帯域地震計がほぼ振り切れたため対応できず、国外の地震波形データを用いMw8.8と算出したのは約54分後(15時40分)と時間が掛かった(報道発表は精査後の17時30分、地震発生から約2時間44分後)。しかし、気象庁松代地震観測所では、アメリカ地質調査所 (USGS) が運営するライブ・インターネット地震サーバー (LISS:Live Internet Seismic Server) などのデータを解析し地震から約10分後にはM9を算出していたがこの計算結果は警報に使用されなかった。また、アメリカ地質調査所は当初、モーメントマグニチュードを8.8と発表、地震発生から約34分後に8.9、約6時間後に9.0と速報値、同15日に確定値を発表し、1900年以降に世界で発生した地震の中で4番目の規模と発表した。
2021年2月16日、気象庁は今後は本地震の震源域で発生した地震を余震と表現しないことを検討していると発表した。同年4月1日、それ以降は余震と表現しないことを決定した。その理由として、本地震前の発生頻度に近づいており、余震域での地震の回数が減少していること、10年以上が経過し本震の影響により発生したかどうかの判断が難しくなったことなどを挙げている。また、余震という表現では大地震は起きないという印象を与えかねず、防災意識の低下を防止するためでもあるという。ただし、本地震の余震活動が終わっているわけではなく、震源域での1年あたりの地震活動は本地震発生前よりも多い状況が続いていることから、気象庁は引き続き注意するよう呼びかけている。
この地震では震源域から離れたところでも被害地震(下記に其各を詳細記載している遠隔誘発地震。1つは長野県下水内郡栄村で発生。JR飯山線の夜間ラッセルモーターカーが単線である為に行き違いで、震源地間近のJR森宮野原駅へ停車中に発生し、ラッセルモーターカーの進行方向の道床が崩落した。軌道は宙吊りとなった為に時刻がずれて、ラッセルモーターカーが通過中であれば大事故に成る処であった。2つ目として、静岡県の御殿場市付近でも発生した。)が発生している。これらも大きな視点では、一連の地震活動の中に含まれると考えられており、震源域で発生する余震と区別して「誘発地震」や「広義の余震」と呼ばれている。複数の専門家が、本地震によって東日本を中心に地殻変動や応力の変化が生じ、地震の発生が促進された地域があるとの見解を発表している。
プレートの相対的平均速度から期待される相対変位量から実際の相対変位量を引いた値が、すべり欠損と呼ばれるが、宮城県沖ではこのすべり欠損が蓄積し続けていたと考えられる。つまり、歪みの蓄積量に対し地震による放出量が不足し、放出されない歪みが蓄積され続けていた。実際の観測データで見ると2003年と2005年に相次いで宮城県沖地震が発生したが2003年と2005年の放出量は1978年より少なく、一部の研究者は注視していた。また、海溝軸付近で約50 mの最大滑り量を観測しているが、松澤はプレート間の相対滑り込み速度は年間8 cm程度であることを考えると、約600年分のすべり欠損が一回の地震で解消されたことになるとしている。
数十年 - 百数十年間隔で発生する海溝型のM8前後の大地震ではなく、それらが複数同時に発生する連動型地震であった。日本では19世紀終盤の近代観測開始以来初めて明瞭に連動型地震と断定されるものであった(スーパーサイクル参照)。
また、波源域から発せられた直接波だけでなく、太平洋の対岸にあたる南米で反射した長周期(30分から60分)の津波を約50時間後に津波コーダとして海底水圧計は観測していた。
気象庁による各津波予報区内で観測された津波の高さは以下の通り。
推定された津波高
日本気象協会は、岩手県宮古市から福島県相馬市までの沿岸の津波高(海上での津波の高さ)は約8 - 9 mあったと推定した。一方、陸上の比較的海岸に近い地点での浸水高は、浸水した痕跡などから、釜石で9.3 m、大船渡で11.8 m、岩手県から宮城県牡鹿半島までの三陸海岸で10 - 15 m前後、仙台湾岸の高いところで8 - 9 m前後としている。陸前高田市、南三陸町、宮古市などでは建物の4、5階まで浸水した。津波の溯上高(斜面を駆け上がった高さ)は、三陸海岸では30 m以上のところがあった。全国津波合同調査チームの調査によると、津波の遡上高は岩手県大船渡市の綾里湾において40.1 mにまで達したものが最大と見られており、この記録は明治三陸地震の最大記録38.2 m(同市綾里地区)を上回り、日本の観測史上最大の遡上高となった。また東京大学地震研究所准教授の都司嘉宣によると、宮城県女川町の笠貝島では溯上高が43 mに達していた可能性がある。他に、宮古市田老地区の小堀内漁港近くで37.9 m、岩手県野田村で37.8 m、宮城県女川町で34.7 m、大船渡市三陸町綾里で30.1 mの遡上高が確認されている。福島県の警戒区域内での津波は、東京大学大学院教授佐藤愼司(海岸工学)らと福島県の共同で2012年2月に初めて調査が行われ、最大で21.1 m(富岡町小浜)に達していたことが分かった。