Trong một khu vực được gọi là "rãnh Nhật Bản" (Japan TRench), mảng kiến tạo Thái Bình Dương (Pacific Plate) dịch chuyển về phía tây khoảng 8 cm mỗi năm.
Cơn địa chấn hôm 11/3 là kết quả của sự va chạm giữa hai mảng địa tầng ở đường đứt gãy. Mảng địa tầng Thái Bình Dương đâm mạnh xuống phía dưới mảng địa tầng Bắc Mỹ và đẩy mảng Bắc Mỹ lên phía trên.
Sự dịch chuyển lên phía trên của mảng địa tầng Bắc Mỹ khiến một lượng nước khổng lồ phía trên nó trồi lên với sức mạnh khủng khiếp.
Từ tâm chấn của động đất, năng lượng của nước lan tỏa ra mọi hướng. Những con sóng dưới đáy đại dương có bước sóng khá lớn trong khi chiều cao lại thấp nên chúng có thể lan truyền với tốc độ 900 km/h.
Khi sóng tới gần bờ, địa hình dốc dưới đáy biển khiến chiều cao của sóng tăng. Sóng cao ngất tràn lên bờ vì lượng nước và năng lượng khổng lồ dồn đẩy chúng từ phía sau.
Sóng thần có độ cao từ 6 m trở lên ập vào bờ biển phía đông bắc Nhật Bản và cảnh báo sóng thần được ban bố tới tận nước Mỹ và Nam Mỹ.
