3月11日
3月11日13时46分，日本东部海底发生里氏9.0级特大地震。地震发生后，福岛第一核电站的1、2、3号机组和第二核电站的全部4个机组均成功实现“停堆”；事发时，第一核电站另外的4、5、6号机组处于定期检修状态。在停堆后，核燃料棒仍然放出大量自衰变热量，需要继续进行冷却，直至实现“冷温停止”的稳定状态，所以在“停堆”后核电站的应急柴油发电机启动以维持冷却水循环。但不幸的是，在一个小时后，海啸带来的洪水淹没了柴油发电机，导致水泵缺乏电力供应，第一核电站的1、2号机组和第二核电站的1、2、4号机组丧失冷却功能。
这一故障，导致反应堆压力容器内水温、压力上升，混凝土安全壳内蒸汽压力上升。晚上19时许，日本首相菅直人发布“核能紧急事态宣言”，疏散福岛第一核电站为中心半径3公里之内的居民，同时要求3公里至10公里的居民不要外出。
3月12日
福岛第一核电站1号机组从凌晨起释放蒸汽，避免安全壳因压力过大损坏。这一措施导致了微量核泄漏，上午10时测得的福岛第一核电站正门核辐射浓度是7时40分的73倍。菅直人下令，12日凌晨5点44分起，建议居民疏散范围从第一核电站半径3公里以内扩大至10公里。
由于温度过高，1号机组反应堆压力容器内的冷却水蒸发速度加快，出现水位下降情况，核燃料棒上部部段露出水面处于干烧状态。下午13时许，1号机组附近探测到放射性元素铯137，这表明核燃料棒的锆合金外壳已开始熔毁，“堆芯熔化”险情首次出现。16时许，1号机组厂房发生氢气爆炸，这是锆合金在高温下与水发生反应产生的氢气，这些氢气泄漏至最上层的操作厂房发生爆炸，整个操作厂房的外壁、顶部被炸飞。在爆炸发生后，核电站厂区内辐射剂量一度升至1.015毫西弗/小时，到18时才下降至0.0705毫西弗/小时。幸运的是，这次爆炸并未损坏混凝土安全壳。晚上22时许，抢修当局开始向1号反应堆注入海水实施冷却。
3月13日
13日凌晨5时许，第一核电站3号机组丧失冷却功能，随后抢修当局进行灌注冷却水和释放蒸汽作业，核电站厂区辐射剂量一度升至1.2042毫西弗/小时。但由于未知原因，3号机组后来处于无法注水的状态，在反应堆压力容器内水位下降后，也出现核燃料棒干烧、锆合金外壳破损的情况。
13日下午，抢修当局开始向3号机组注入海水，并继续释放安全壳内的蒸汽。下午14时许，第一核电站厂区出现1.5575毫西弗/小时的辐射剂量，之后有所下降。
3月14日
14日上午11时许，第一核电站3号机组也发生氢气爆炸，上层操作厂房外壁出现破洞，爆炸导致了11人受伤。反应堆压力容器、混凝土安全壳没有受损。
下午16时许，福岛第一核电站2号机组发生“紧急事态”，反应堆压力容器内的水位急速下降。据称出现这个情况的原因是，注入海水的水泵因燃料耗尽停止工作。这一疏忽一度导致全长约4米的核燃料棒全部露出水面，处于严重的干烧状态，核燃料棒锆合金外壳发生烧熔破损。
3月15日
15日6时10分，第一核电站2号机组发生爆炸，压力抑制池出现破损。由于压力抑制池与混凝土安全壳是连通的，所以此次爆炸导致了安全壳内部放射性气体大量泄漏。8时31分，第一核电站正门测得的辐射剂量为8.217毫西弗/小时，为普通人每年可被辐射剂量上限的8倍；10时22分，3号机组附近测得400毫西弗/小时的辐射剂量，人在附近停留2小时即会出现呕吐等辐射病症状，这已经是非常严重的核泄漏。
另外在上午9时40分，第一核电站4号机组发生了氢气爆炸并起火，上层操作厂房出现两个边长8米的四方形的空洞。发生氢气爆炸的原因是，乏燃料棒冷却水池由于缺乏冷却，高温导致乏燃料棒的锆合金外壳与水作用产生氢气。这一情况是非常危险的，因为乏燃料棒冷却水池缺乏坚固屏蔽，一旦乏燃料棒的锆合金外壳损毁，大量放射性物质将直接进入外界大气。15日下午，日本政府将第一核电站疏散隐蔽半径扩大至30公里。晚上抢修当局曾试图向4号机组厂房的乏燃料棒冷却池注水，但未能成功。
3月16日
16日7时许，第一核电站4号机组厂房再次发生火灾，火焰从15日爆炸形成的破洞喷出。9时许，东京电力公司表示，4号机组厂房冷却池里存放的乏燃料棒可能再次达到临界，研究用直升机向其撒放硼酸。10时许，第一核电站附近升起白烟，因为现场辐射剂量太高，抢修人员未能靠近查明情况。11时许，日本首先菅直人表示，3号机组的混凝土安全壳可能已经破损。东京电力公司则表示，可能是因为3号机组的乏燃料棒冷却池过热产生蒸汽。
下午，日本自卫队直升机曾试图向3号机组厂房喷洒冷却水，但因为辐射剂量过高放弃。日本文部科学省则宣布，在距离第一核电站21公里处测得的辐射剂量为0.33毫西弗/小时，为正常值的6600倍，这是在人员疏散半径外测得的最高值。
3月17日
17日上午9时许，日本自卫队两架CH-47大型直升机在第一核电站3号机组厂房上空实施注水冷却作业。但注水作业后，核电站厂区的辐射剂量没有变化，约为3.7毫西弗。
3月12日，福岛第一核电站。日本发生8.9级地震后，福岛第一核电站反应堆自动停止运转，但应急柴油发电机却因被洪水淹没停止了运转。
