位于日本福岛县的核电站有福岛第一核电站和福岛第二核电站，它们都由东京电力公司负责运营。

两座核电站的反应堆均为以普通水作为冷却剂和中子减速剂的沸水反应堆。与压水反应堆相比，这种反应堆构造更为简单，安全性更高。本次大地震之前，福岛第一和第二核电站共有7个反应堆处于运转状态，地震发生后全部自动关闭。

目前，第一核电站1号机组周边检测出放射性物质铯和碘，已确认反应堆堆芯燃料的一部分熔化。反应堆容器内的蒸汽已被释放，容器内的气压已经下降。第二核电站1号、2号和4号机组也都丧失了冷却功能。日本政府已就两座核电站发布了“原子能紧急事态宣言”,并要求福岛第一核电站周围的居民撤退到距核电站半径10公里之外。

福岛第一和第二核电站此前也多次发生事故。其中福岛第一核电站1978年曾经发生临界事故，但是事故一直被隐瞒至2007年才公诸于众。

2006年，福岛第一核电站6号机组曾发生放射性物质泄漏事故。

2007年，东京电力公司承认，从1977年起在对下属3家核电站总计199次定期检查中，这家公司曾窜改数据，隐瞒安全隐患。其中，福岛第一核电站1号机组反应堆主蒸汽管流量计测得的数据曾在1979年至1998年间先后28次被纂改。