Fala tsunami spowowowała utratę zasilania i zanik chłodzenia, co stało się przyczyną przegrzania reaktorów.

W elektrowni Fukushima nie było wybuchu jądrowego, ale wskutek wysokich temperatur doszło do reakcji chemicznej cyrkonu z parą wodną, która spowodowała wydzielenie wodoru poza pierwotną obudowę bezpieczeństwa.

W reaktorach japońskich nie było pasywnych autokatalitycznych układów rekombinacji wodoru, które działają samoczynnie bez dopływu energii z zewnątrz. Takie układy już od połowy lat 90-tych wprowadzano w reaktorach Unii Europejskiej i instalowano sukcesywnie w Rosji i innych krajach. W Fukushimie operator polegał na rekombinacji wodoru w układach wymagających doprowadzenia energii elektrycznej. Ponieważ po tsunami wszelkie źródła energii elektrycznej zostały utracone, wodoru nie można było rekombinować i przy uwalnianiu gazów z obudowy doszło do niekontrolowanych reakcji wodoru z tlenem, które przekształciły się w wybuchy i zniszczyły wtórną obudowę reaktorów.

Rdzenie reaktorów zostały uszkodzone, bo po utracie zasilania elektrycznego po kilku godzinach utracono możliwości chłodzenia paliwa. Poziom wody wciąż się obniżał i w końcu doszło do odsłonięcia rdzeni reaktorów 1-3. Znajdujące się w nich pręty paliwowe zaczęły się topić. Gorące paliwo spłynęło na dno zbiornika reaktora. W reaktorach 2 i 3 dno nie przetopiło się, jednak przez otwory technologicznie w dnie prawdopodobnie doszło do wycieków do wnętrza obudowy bezpieczeństwa. W reaktorze 1 stopione paliwo przepaliło zbiornik i trafiło do chłodzonego wodą chwytacza rdzenia, ale obudowa pierwotna wytrzymała i materiały stopione w rdzeniu nie wypłynęły poza obudowę.

Natomiast poza obudowę wydostały się lotne produkty rozszczepienia, wydzielone z uszkodzonego paliwa, takie jak cez, jod, krypton i ksenon. Uwolnienia te były znacznie mniejsze niż w Czarnobylu, bo uszkodzenia rdzenia były mniejsze, a obudowa wytrzymała, ale wystąpiły w czterech reaktorach i w związku z tym wydzielenia poza elektrownię były znaczne.