В результате смещения горных пород произошла деформация морского дна с его подъёмом на 7—10 метров, что вызвало несколько волн цунами[6]. Первая волна высотой 4 метра[7] достигла станции через 40 минут после основного толчка, а в 15:35 пришла вторая волна высотой 14—15 метров[7], что превысило высоту защитной дамбы, рассчитанной на волну в 5,5 метров[7], и уровень самой площадки АЭС. Волна цунами смыла стоявшие снаружи тяжёлые резервуары, оборудование и автомобили и дошла до удалённых от берега зданий, оставив после себя множество обломков конструкций[8]. Затопление привело также и к человеческим жертвам: два сотрудника TEPCO, находившиеся в турбинном здании четвёртого энергоблока, были настигнуты нахлынувшей водой и погибли[9].