2011年（平成23年）3月11日14時46分18秒、マグニチュード9.0の東北地方太平洋沖地震が発生し、女川町は女川原子力発電所の震度計が震度6弱を観測した[31][32]（町内の検測所は津波で流失）。さらにこの地震が引き起こした津波に襲われ、沿岸部は壊滅的被害を負った[33]（東日本大震災）[34][注釈 1][注釈 2]。また、港湾空港技術研究所の調査によれば、津波の最大波高（浸水高[注釈 3]）は女川漁港の消防庁舎で海抜14.8mを記録した[35][36]。

津波で3階建ての町庁舎も冠水した[33]が、町長以下職員は間一髪屋上に避難して無事であった。女川原子力発電所は高台にあったため辛うじて津波の直撃を免れたものの、発電所を管理する宮城県原子力センターや原子力防災対策センター（双方とも2階建ての建物）は屋上まで冠水し、環境放射線監視システム[注釈 4]が壊滅。職員の多くも行方不明となったため、国や県に一時的に報告ができないという状態に陥った[37]。

女川湾から約100mのところにあった七十七銀行女川支店では高さ約10mの屋上に行員が避難したが津波に飲み込まれた[38]。

東北電力は女川原子力発電所の潮位計の記録を解析し、当施設が浸水高13mの津波に襲われていたことを、4月7日に公表した[39]。女川原発の敷地の標高は14.8mであるが、地震で約1m地盤沈下したことが分かっており、計算上、津波は敷地まで80cmの高さにまで迫っていたことが判明した[39]。実際、津波の飛沫の痕跡が敷地の外縁に残っていた[39]。なお、最大波から15分ほど後に発生した強い引き波のときには、海水面が下がりすぎて原子炉を冷却するための取水口が3- 5分の間むき出しになっていた可能性もあるという[39]。

町域にある鉄道駅のうちJR石巻線の女川駅は、土台だけを残して駅舎が流失したほか、駅に停車中であった列車や町営温泉の保存車両等が流されるなど、甚大な被害を受けた[34][40]。また、女川-石巻間では線路が損傷した[41]。