三一一大地震發生在太平洋板塊俯衝到本州島北部下方的北美板塊之下的日本海溝。太平洋板塊以每年8到9公分的速度向下俯衝，下沉到北美板塊之下，形成大量的彈性勢能。這種運動將上層板塊向下擠壓，直到累積的應力引起地震，使得上層板塊恢復原狀。這會使海底上升數米。這種級別的地震通常會有至少500公里的斷裂長度和個長而相對豎直的斷層面。由於日本海溝的板塊邊界和俯衝帶不是很直，所以地震規模超過MW 8.5是不尋常的，這次地震的規模讓一些地震學家感到驚訝。這次地震的震央範圍從岩手縣近海延伸到茨城縣近海。日本氣象廳表示，這次地震可能使從岩手縣到茨城縣的斷層帶破裂，斷層帶長500公里，寬200公里。分析表明，這次地震由三次破裂組成。1896年和1933年，三陸沖地區還發生了其他伴隨海嘯的大地震。