Si la secousse principale a eu lieu le 11 mars, c'est dès le 9 mars que la terre a tremblé dans la région avec une première secousse de magnitude 7,2 à environ 40 km de distance de la secousse principale, suivie le même jour par trois secousses de magnitude supérieure à 6,09. Les chercheurs du CNRS-INSU qualifient le séisme de magnitude 7,2 comme un séisme « a posteriori précurseur » de celui du 11 mars10.

Ce séisme est dû au glissement brutal — estimé à 10 m de hauteur — d'une très grande faille inverse de 400 à 500 km de long et 30 km d’épaisseur située à quelque 120 km des côtes japonaises11,12. La très forte magnitude de ce séisme s'expliquerait par le jeu des pressions et tensions qui se sont accumulées pendant environ un siècle depuis le dernier séisme dans cette région11.

Tant le regard humain que les instruments n'ayant d'accès direct aux couches géologiques (ou strates), les explications sismiques ne peuvent être qu'interprétatives. Le choc principal selon l'USGS (W-phase, USGS) viendrait d'un séisme né sur un plan à faible pendage (14°W) orienté N13°E, subparallèle à la direction moyenne N16 de la fosse du Japon, à une profondeur de 24 km. La magnitude déterminée est de Mw 9,0 (Mo=3,9×1022N.m)8. Harvard Seismology conclut à des caractéristiques mécaniques semblables avec un pendage de 9°, une direction N21°E à une profondeur de 20 km8. Le Deutsche GeoForschungsZentrum (GFZ) émet une hypothèse différente — jugée problématique par certains8 — avec un pendage de 9° vers l’est (plan N17°E) (Mw 8,9 ; Mo=2,4x10e22 N.m)