На атомной электростанции «Фукусима-1» в момент землетрясения три работающих энергоблока были остановлены действием аварийной защиты, все аварийные системы сработали в штатном режиме. Однако спустя час было прервано электроснабжение (в том числе от резервных дизельных электростанций), предположительно из-за последовавшего за землетрясением цунами.

Электроснабжение необходимо для отвода остаточных энерговыделений реакторов, которое согласно формуле Вэя — Вигнера составляет около 6,5 % от уровня мощности до останова. Через час — примерно 4,8 %, через сутки — 1,5 %, через год — 0,08 %. Сразу после потери резервных дизельных электростанций владелец станции компания TEPCO заявила правительству Японии об аварийной ситуации. С этого момента работа на площадке АЭС сфокусирована на решении проблемы электроснабжения аварийных систем, на станцию доставляются мобильные силовые установки для замещения неработающих дизелей.
Без достаточного охлаждения во всех трёх работавших энергоблоках начал снижаться уровень теплоносителя и повышаться давление, создаваемое образующимся паром. Первая серьёзная ситуация возникла на энергоблоке-1. Для недопущения повреждения реактора высоким давлением пар сбрасывали в гермооболочку, в которой давление возросло до 840 кПа при расчётном значении в 400 кПа. Чтобы гермооболочка не разрушилась, пар пришлось сбрасывать в атмосферу, TEPCO и МАГАТЭ заявили при этом, что он будет фильтроваться от радионуклидов. Давление в гермооблочке удалось сбросить, однако при этом в обстройку реакторного отделения проникло большое количество водорода, образовавшегося в результате оголения топлива и окисления циркониевой оболочки ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов) паром (пароциркониевая реакция).

В 9:36 по московскому времени на первом энергоблоке АЭС произошёл взрыв, в результате которого обрушилась часть бетонных конструкций. Причина взрыва — образование водорода в результате падения уровня воды в реакторе и перегрева активной зоны. Корпус реактора не пострадал, разрушена внешняя оболочка блока из железобетона. Четыре человека, принимавшие участие в работах на станции, получили ранения и были направлены в больницы.
Уровень радиации на границе промплощадки станции сразу после взрыва достиг 1015 мкЗв/час, через 4 минуты — 860 мкЗв/час, через 3 часа 22 минуты — 70,5 мкЗв/час.
Во взятых передвижными лабораториями за территорией промплощадки АЭС пробах обнаружен цезий, что может говорить о негерметичности оболочек части ТВЭЛов, однако количественных данных не приведено.
В 12:20 стало известно, что Генеральный секретарь правительства Японии подтвердил информацию об утечке радиации. Масштабы утечки не уточнялись.
В 15:41 по московскому времени Генеральный секретарь кабинета министров Юкио Эдано подтвердил, что при взрыве была разрушена внешняя бетонная стена здания реакторного отделения, а внутренняя стальная герметичная оболочка не была повреждена. Таким образом, по его словам, существенного выброса радиоактивных веществ не произошло. Юкио Эдано также заявил, что с целью охлаждения реактора принято решение заполнить его гермооболочку морской водой с раствором борной кислоты (в пресс-релизе TEPCO указывается, что подача воды осуществлялась непосредственно в реактор). Операция по закачке воды займёт от пяти до десяти часов. По поводу причин взрыва Юкио Эдано заявил, что по мере падения уровня охлаждающей воды образовывался водород, который, просачиваясь в пространство между бетонной стеной и стальной оболочкой, смешивался с воздухом, что и привело к взрыву.

Правительство Японии сообщило о сложной ситуации на блоке № 3 — вышла из строя система его аварийного охлаждения, которая должна была заработать при снижении уровня теплоносителя ниже определённой уставки. Имеются предварительные данные, что ТВЭЛы по высоте частично находились или находятся выше уровня воды. Существует угроза взрыва водорода.
Японские официальные лица уведомили МАГАТЭ, что в 9:20 по местному времени начался сброс давления в гермооболочке 3-го блока контролируемым выпуском пара. В дальнейшем из-за отсутствия всех возможностей охлаждения реактора изнутри началась подобная проведённой на первом блоке операция по закачке морской воды для охлаждения реактора.

В 11:01 по местному времени произошёл взрыв водорода на третьем энергоблоке станции по тем же причинам, что и на первом. В результате ранения получили 11 человек. Гермооболочка и корпус реактора, по сообщению японских официальных лиц, не повреждена.
На блоках 1 и 2 начались работы по восстановлению аварийного электроснабжения с помощью мобильных силовых установок. Продолжается подача морской воды с борной кислотой для охлаждения реакторов блоков 1 и 3.
На блоке 2 отказала система аварийного охлаждения, TEPCO уведомило о начале такой же аварийной ситуации, как и на блоках 1 и 3.

После отказа системы охлаждения, на блоке 2 началась операция по охлаждению морской водой с борной кислотой, аналогичная проводимой на 1 и 3 блоках. Однако в процессе работ отказал предохранительный клапан сброса пара из реактора. В результате, из-за возросшего давления, подача воды стала невозможной. Активная зона на некоторое время оголилась полностью, часть ТВЭЛов, вероятно, серьёзно повреждены. Однако функции клапана удалось восстановить, что позволило сбросить давление и продолжить охлаждение морской водой.

Примерно в 6.20 по местному времени произошёл взрыв на втором блоке АЭС. Вероятно, повреждён бассейн-барботёр (резервуар в виде тора, находящийся на более низкой отметке, чем реактор), предназначенный для конденсации пара, поступающего из реактора в аварийных ситуациях. Давление в барботёре упало в три раза, что говорит о его повреждении. В момент взрыва уровень радиации на промплощадке вырос до 8217 мкЗв/час, но позже снизился на треть. Причиной взрыва, как и в предыдущих случаях, явилось скопление водорода. В результате взрыва возможно была нарушена целостность гермооболочки.
Одновременно на блоке 4 произошёл пожар в хранилище отработанного ядерного топлива, радиоактивные вещества, по информации МАГАТЭ, стали поступать в атмосферу. Пожар был потушен в течение 2 часов.
Со станции эвакуирован весь персонал. Вести борьбу с катастрофой остались 50 инженеров.