El epicentro del terremoto se ubicó en el mar, frente a la costa de Honshu, 130 km al este de Sendai, en la prefectura de Miyagi, Japón. En un primer momento se calculó su magnitud en 7,9 grados MW, que fue posteriormente incrementada a 8,8, después a 8,9 grados por el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS).Finalmente a 9,0 grados MW, confirmado por la Agencia Meteorológica de Japón y el Servicio Geológico de los Estados Unidos.El terremoto duró aproximadamente 2 minutos según expertos[cita requerida.
El Servicio Geológico de Estados Unidos explicó que el terremoto ocurrió a causa de un desplazamiento en proximidades de la zona de la interfase entre placas de subducción entre la placa del Pacífico y la placa Norteamericana. En la latitud en que ocurrió este terremoto, la placa del Pacífico se desplaza en dirección oeste con respecto a la placa Norteamericana a una velocidad de 83 mm/año. La placa del Pacífico se mete debajo de Japón en la fosa de Japón, y se hunde en dirección oeste debajo de Asia.
Dos días antes, este terremoto había sido precedido por otro temblor importante, pero de menor magnitud, ocurrido el miércoles 9 de marzo de 2011, a las 02:45:18 UTC en la misma zona de la costa oriental de Honshū, Japón y que tuvo una intensidad de 7,2 MW a una profundidad de 14,1 kilómetros. También ese día las autoridades de la Agencia Meteorológica de Japón dieron una alerta de maremoto, pero sólo local, para la costa este de ese país.
