この地震は、2011年3月11日14時46分18.1秒[1]、牡鹿半島の東南東約130 kmの太平洋（三陸沖）の海底（北緯38度06.2分、東経142度51.6分）、深さ約24 km[5]を震源として発生した。太平洋プレートと北アメリカプレートの境界域（日本海溝付近）における海溝型地震で[26]、震源域は岩手県沖から茨城県沖にかけての南北約500 km、東西約200 km、およそ10万平方キロの広範囲にわたった。地震の規模を示すマグニチュードはMw9.0 - 9.1（気象庁は9.0、アメリカ地質調査所は9.1。Mj8.4）[6][4]で、大正関東地震（1923年）のMj7.9, Mw8.2[27]を上回る日本観測史上最大[28][29]であるとともに、世界でもスマトラ島沖地震（2004年）以来の規模で、1900年以降でも4番目に大きな超巨大地震であった[30][31]。

規模が大きい地震（日本周辺・1885年以降）順位名称発生日（JST）規模（Mj）
1東北地方太平洋沖地震2011年3月11日8.4
（Mw9.0）
2オホーツク海深発地震2013年5月24日8.3
3千島列島沖地震2007年1月13日8.2
北海道東方沖地震1994年10月4日
十勝沖地震1952年3月4日
明治三陸地震1896年6月15日
7小笠原諸島西方沖地震2015年5月30日8.1
択捉島沖地震1963年10月13日
択捉島沖地震1958年11月7日
昭和三陸地震1933年3月3日
規模は宇津ほか（2010）・気象庁による

規模が大きい地震（20世紀以降・世界）順位名称発生日（UTC）規模（Mw）
1チリ、バルディビア1960年5月22日9.5
2アラスカ、プリンス・ウィリアム湾1964年3月28日9.2
3スマトラ島・アンダマン諸島2004年12月26日9.1