東北地方太平洋沖地震
北アメリカプレートと、その下に沈み込む太平洋プレートの境界部、日本海溝と呼ばれる海域で発生した海溝型地震であった。
この地震で気象庁は、気象庁マグニチュード7.9という推定に基づき、まだ揺れの続いている中の14時49分、岩手県、宮城県、福島県の沿岸に津波警報(大津波)、その他の全国の太平洋沿岸などに津波警報・津波注意報を発表し、予想される津波の高さについて、宮城県で6 m、岩手県と福島県で3 mと発表した。しかし、実際の津波の高さはこれを大きく上回った。通常は地震発生15分後に算出されるモーメントマグニチュードがこの地震では算出できず、津波警報の続報に生かせなかった。3m程度ならば2階に避難で助かると考え逃げ遅れた人も多かった。また15時には岩手県沖の海底水圧計で5 mの津波が観測されていたが、津波の予測に水圧計を使うことは気象庁のマニュアルになかった。その後、水圧計よりも陸側に設置されたGPS波浪計や沿岸の検潮所などで高い津波が観測されたため、津波警報・注意報は15時14分、15時30分に更新・拡大された。岩手県釜石沖のGPS波浪計では15時12分に6.
関東地方南方沖では北アメリカプレートと太平洋プレートに加えてその下にフィリピン海プレートが沈み込んでいて、沈みこんだプレートが地下50 - 100 km程度に位置する茨城県南部は以前より地震が多発している地帯だが、本震後も誘発地震が多数発生した。3月24日 (M4.8) と4月2日 (M5.0) の地震は沈み込んだフィリピン海プレートと上盤側の北アメリカプレートとの境界付近で発生しているが、4月16日 (M5.9) と7月15日 (M5.4) の地震はフィリピン海プレートの下にさらに沈み込んでいる太平洋プレートとのプレート境界付近で発生しており、震源となるプレート境界が異なっている。いずれも震源地としては内陸部であるが、プレート境界で発生する海溝型地震に分類されている(詳細は「東北地方太平洋沖地震の前震・本震・余震の記録」を参照)。
その他の地域では本震における未破壊領域となっている、南北に長い日本海溝にある本震の震源域の南端(房総沖および千葉県東方沖)や北端(三陸沖北部、1994年の三陸はるか沖地震の震源域)での波及地震の発生が懸念されている。さらに、この他にも同海溝の北隣にある千島海溝(十勝沖及び根室半島沖)、北アメリカプレート内の他の境界部(糸魚川静岡構造線および日本海東縁変動帯)での波及地震に注意する必要があるという指摘がある。
Mw9.0は「超巨大地震」に分類され、19世紀終盤からの世界観測史上数回しか発生していない未曾有の規模であり、日本国内では観測史上最大の規模であった。
規模が大きく震源域が南北に長かったため平行する本州・東日本の広範囲で強く揺れた。また、減衰しにくい長周期地震動によって名古屋、大阪など遠方でも揺れを観測し建物が損壊した。
本震のすべり量が大きい日本海溝の海溝軸付近では、プレート境界より深いところの海洋プレート内部では余震が多発しているものの、プレート境界の逆断層型の余震は少ない。原因として、本震時にすべり量が大きかった場所ではひずみが十分に開放された一方、その周囲では本震や余効変動によってひずみが蓄積しているため余震が多発しているのではないかという考えがあるほか、この地域では通常プレート間の固着が非常に強固であることから、本震後すぐに強固な固着が復活してしまった可能性が指摘されている。
また、震源域に近い海域での大規模な誘発地震の発生が注目されている。宮城県・福島県遠方沖、日本海溝東側の海溝外縁隆起帯にあたる太平洋プレート上に設置した海底地震計等により4月から2ヶ月間行われた、海洋研究開発機構 (JAMSTEC) による海洋プレート内地震の調査では、深さ約20キロの浅い領域は本震発生以前の正断層型のまま変化はないが、約40キロの深い領域では本震発生以前の逆断層型から正断層型の地震に変化していた。本震の影響によりプレート内部の応力の方向が変化している可能性などが考えられ、これまでと異なり深い部分まで応力の方向が揃ったため、プレート内部の地震がM8級の巨大地震に及ぶ可能性も指摘されている。日本海溝東側のように沈み込む手前の海洋プレート内で発生する地震はアウターライズ地震と呼ばれており、大きな津波が発生しても震源が陸地から遠いため揺れが小さくなるといった「津波地震」と類似した特徴があるため、避難行動が遅れて被害が拡大する恐れがある。本震40分後の15時25分に発生したM7.5の余震が該当し、過去には1933年昭和三陸地震もこのタイプで甚大な津波被害を出した。