東北地方太平洋沖地震
仙台市内では震度6強を観測した。このほかにも宮城県、福島県、茨城県、栃木県の一部で震度6強を観測するなど、震源域が広かったことから強震が広範囲にわたった。東京都内でも震度5強や5弱の強い揺れに見舞われた。関東地方において震度6弱以上の揺れを観測したのは火山性地震を除けば関東大震災以来88年ぶりである。
また、気象庁の推計震度分布図によると、福島県いわき市で局地的に震度7相当の揺れがあったと推計されたほか、防災科学技術研究所の強震観測網によると、栃木県芳賀町にある観測点で震度7相当の揺れ(計測震度6.51)を観測していたことも分かっている。ただし、前者は震度計による観測ではない推計値であり、後日精査した震度および震源データを用いて再作成した推計震度分布では震度6強以下に更新されている。また後者も気象庁が発表する地震情報で使用する震度観測点ではない。
このほかに北海道・東海・甲信越などの一部地域で震度4、近畿でも震度3を観測した。遠く鹿児島市でも震度1を観測しており、震源から1,300 km以上離れていることから、地震波はS波だけでも5分以上かけて到達している。東京大学地震研究所の解析によると、本震の揺れは東日本全体で約6分間続いた。 日本国内で震度1以上を観測した地点がなかったのは宮崎県・沖縄県の全域と兵庫県・広島県・山口県・高知県・佐賀県・長崎県・熊本県・大分県・鹿児島県の一部地域のみ。長野市松代町の気象庁精密地震観測室(現・気象庁松代地震観測所)は、地震発生から2時間半おきに、この地震によると見られる5回の表面波を確認。地震波は時速14,000 km(大気中のマッハ11相当)で地球上を5周したと見られる。
本地震発生2日前の3月9日、前震とみられるM7.3、最大震度5弱の地震が三陸沖で発生した。その地震による震度1以上の余震は、本地震発生当日の3月11日午前まで発生している。
余震活動は極めて活発で、本震から1時間足らずの間にM7以上の強い地震が立て続けに3回発生した。このうち、本震30分後の15時15分には茨城県沖を震源とするM7.6の最大余震が発生し、茨城県鉾田市当間で震度6強を観測した 。本震の直後、東北大学地震・噴火予知研究観測センターが設置していた地震計の3割が破壊されたり、通信回線が途絶したりするなどしてセンターは余震の観測データを受け取れなくなり、気象庁が発する地震情報や緊急地震速報に支障が生じる事態となった。
一連の余震は、岩手県沖から茨城県沖までの幅約200 km、長さ約500kmの範囲を震源としている。3月中にM5以上の余震は479回、震度1以上の余震は3,016回発生した。2021年3月6日までに観測されたものでは、M5以上が990回、M6以上が135回、M7以上が11回、最大震度4以上のものは429回、最大震度1以上のものは14,710回あった。M5以上の余震の回数は日本観測史上最大であった1994年北海道東方沖地震の4 - 5倍の記録的なペースで推移しており、2004年スマトラ島沖地震 (Mw9.1) や2010年チリ地震 (Mw8.8) の余震活動と比べても活発である。
この地震では、政府が東北地方沖で従来想定していたものとはかけ離れた規模の地震が発生した。そのため政府の地震調査委員会は、東海地震、東南海地震、南海地震などの海溝型地震の長期評価の見直しを行なった。2011年11月に、三陸沖から房総沖までの長期評価を見直したものを発表し、今回のような地震 (Mw8.4 - 9.0) が平均600年間隔で発生していると認定した。また、三陸沖から房総沖までの海溝寄りで、津波マグニチュード (Mt) 8.6 - 9.0(明治三陸地震並み)の津波地震が30年以内に発生する確率が約30%あるとした。
その規模の大きさに比例して余震の回数・規模ともに大きく、地震学で通常「余震域」とされる地域の外で「誘発地震」が発生した。研究者・行政双方から、東日本では本地震による地殻変動の影響などで、被害をもたらすような地震の発生が促されているとの発表がなされており、警戒が強められている。
また、海底活断層や約100万年前に日本海溝から北米プレート下に沈み込んだ海山が関与している可能性も指摘されている。この地域のプレート境界は元来摩擦が少なく固着しにくいとされ、M9規模の超巨大地震が発生した原因はこれまで不明となっていたが、この海山が留め金として働いていた可能性があるという。
小山 (2013) らは、本地震が従来連動型地震の起こりにくいとされてきた比較的高角の沈み込み帯である日本海溝で発生したこと、三陸沖中部から茨城県沖の陸側の震源域の連動に加えて海溝寄りまで震源域となり2重の地震セグメント帯 (Double Segmentation) であったことなどから、Single Segmentationと推定される1707年宝永地震や1960年チリ地震などとは異なる発生過程をたどったと考えた。従来低角でチリ型の沈み込み帯に分類されていた南海トラフやチリ海溝南部は地震前には明確な地震空白域を形成しているが、本地震の発生した日本海溝では明確な空白域は見られない、あるいはDouble Segmentationと推定される本地震や1964年アラスカ地震などでは狭い範囲に超大すべり域が存在するなどの特徴が見られ、超巨大地震にも多様性があることが示された。
一連の余震は、本震の震源域に当たる岩手県沖から茨城県沖までの幅約200 km・長さ約500 kmの範囲と、そこに隣接する海溝軸の東側(アウターライズ)を震源としている。多くは本震と同種の「海溝型地震」(プレート境界地震)であるが、震源域西側の地殻の浅い所では「内陸地殻内地震」(内陸直下型地震:大陸プレート内地震)、震源域西側の地殻の深い所では「スラブ内地震」(深発地震:海洋プレート内地震の一種)、海溝軸東側では「アウターライズ地震」(海洋プレート内地震の一種)も発生している。特に日本海溝東側の海溝外縁隆起帯(アウターライズ)では本震による地殻変動の影響で、余震が発生した場合に後述のようにより規模が大きくなる可能性が高まったことも指摘されている。このほか、次節で述べるように震源域から数百kmも離れた所でM6以上の比較的大きな地震が多数発生しており、巨大地震による地殻変動の影響が考えられることもこの地震で特徴的とされる。
気象庁は地震発生後、この地震は単一ではなく、3つの地震が連動したもの(連動型地震)と解析した。会見で同庁地震予知情報課の課長は、「5分前後かけて連続して発生するという、複雑な起こり方をしている。極めてまれで、気象庁の観測で初めての経験」と述べた。文部科学省の地震調査委員会は13日に臨時会を開き、破壊断層は南北に400 km、東西に200 kmの広範囲で、少なくとも4つの震源領域で3つの地震が連動発生したと述べた。東京大学地震研究所は、「大きな断層破壊が、1.宮城県沖、2.宮城県のさらに沖合、3.茨城県北部沖の陸に近い部分、の順に起こった」と説明している。このうち第2の断層破壊で非常に大きな地殻変動が起きており、最大滑り量は30 m超あるいは60 mと推定されていたが、最終的にこの滑り量は平均で62 mと計算された。この最大滑り量は2004年スマトラ島沖地震など世界の他の超巨大地震よりも大きく世界最大のものである。震源域の中で強い地震波を放出した点(破壊が大きいところ、セントロイド)は大きく震源の東側付近と茨城県沖の2つに分かれており、連動型地震特有の長く複雑な破壊過程を経た。震源域が広いため広範囲で揺れを観測し、プレート境界深部が破壊したため震源域近部では強震となった。
東北・関東・北海道などの太平洋岸に数m以上の巨大津波が到達、内陸の浸水が広範囲に及んだ。津波地震でみられるような海溝寄りにおけるゆっくりとした断層の滑りや、津波が高さを増すような複数回にわたる滑りが生じていたことなどが原因だとする説が発表されている。