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 ТЕРСО 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 радинуклидов. Давление в гермооблочке удалось сбросить, однако при этом в обстройку реакторного отделения проникло большое количество водорода, образовавшегося в результате оголения топлива и окисленияциркониевой оболочки ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов) паром (пароциркониевая реакция).

12 марта 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.

12 марта во взятых передвижными лабораториями за территорией промплощадки АЭС пробах обнаружен цезий, что может говорить о негерметичности оболочек части ТВЭЛов, однако количественных данных не приведено.

12 марта в 12:20 стало известно, что Генеральный секретарь правительства Японии подтвердил информацию об утечке радиации. Масштабы утечки не уточнялись.

12 марта 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.

13 марта 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.

13 марта 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.

14 марта 2011 года на третьем энергоблоке произошел взрыв водорода. Ударная волна ощущалась на расстоянии сорок километров. Ранены 11 человек. Радиационный фон в окрестностях станции превысил максимально допустимый — (500 мкЗв/час) — и составил 751 мкЗв/час.