根据世界核工业联合会的数据，大地震前，日本全国共有18个核电站，55个反应堆，承担全国30%左右的电力供应。
　　　　福岛第一核电站受影响最为严重，6个机组中的4个受到影响。
　　　　1号机组：12日，确认反应堆堆芯燃料开始熔化，工作人员采取释放反应堆容器内蒸汽并灌入海水的方法以减压降温，当日下午发生氢气爆炸，但安置反应堆的容器本身并未在爆炸中损坏，当晚，燃料棒熔毁初步得到遏制。
　　　　2号机组：12日，工作人员开始释放反应堆容器内的蒸汽；14日，反应堆失去冷却能力，工作人员开始向堆内灌入海水降压，但燃料棒仍在一段时间内完全露出水面，周边放射线剂量上升，堆芯可能已经出现部分熔毁；15日上午传出爆炸声，初步分析认为，核反应堆中的控制压力容器可能出现损坏。
　　　　3号机组：13日，反应堆冷却系统失灵，开始排气注水；14日发生与1号机组情况类似的氢气爆炸，反应堆所在建筑遭到损坏，反应堆堆芯燃料部分熔毁，但放置反应堆的容器损坏的可能性很小；15日，反应堆建筑上方出现白色蒸汽，机组附近辐射量最高达每小时400毫希弗。
　　　　4号机组：12日，丧失冷却功能；15日，日本内阁官房长官枝野幸男说，4号机组可能发生小规模氢气爆炸，有起火现象，但不会是核燃料起火。
　　　　福岛第二核电站共4个机组。
　　　　12日，1号、2号和4号机组丧失冷却功能，处于紧急状态，开始释放反应堆容器内的蒸汽；15日，1号、2号和4号机组已进入稳定状态，3号机组已成功得到冷却，福岛第二核电站彻底摆脱紧急状态。