地震の約50分後、遡上高14 m - 15 mの津波が発電所を襲い、非常用ディーゼル発電機が津波の海水により故障し、全電源喪失に陥り、核燃料の冷却ができなくなった。

その後1・2・3号機ともに、炉心溶融（メルトダウン）が起き、溶融燃料の一部が圧力容器の外側にある原子炉格納容器（格納容器）に漏れ出した（メルトスルー）。