東日本大震災の影響で外部からの電源を失ったことにより、11基の非常用ディーゼル発電機は冷却水の海水を取水するポンプやモーターが動かず15時41分に故障停止した。これにより1、2、3号機は共に電源喪失に陥り、原子炉内の燃料棒に対する継続的な注水冷却機能を喪失する恐れが発生したことから、東京電力は第1次緊急時態勢を発令、原子力災害対策特別措置法第10条に基づく特定事象発生の通報を経済産業大臣、福島県知事、大熊町長、双葉町長と関係各機関へ行った。さらに15時45分にオイルタンクが大津波によって流出し、16時36分に1号機と2号機は非常用炉心冷却装置による「冷却装置注水不能」と判断されたため（翌12日3時33分に2号機は可能と判明）、同45分に東京電力は同法第15条に基づく通報を行った。これにより19時3分に枝野幸男官房長官が原子力緊急事態宣言の発令を記者会見により発表し、20時50分に福島県対策本部から1号機の半径2kmの住民1,864人に避難指示が出された。21時23分には、菅直人内閣総理大臣から1号機の半径3km以内の住民に避難命令、半径3kmから10km圏内の住民に対し屋内待機の指示が出た。
23時16分、日本経済新聞は「経済産業省原子力安全・保安院によると、冷却水を注水するための非常用ディーゼル発電機が稼働せず、現在はバッテリーで動かしている」と報じた。
■沸騰水型原子炉圧力容器及び再循環回路の詳細図
1.原子炉本体2.コンクリート遮蔽プラグ
3.設備プール
4.ドライウェルヘッド
5.使用済み核燃料プール
6.燃料充填空洞
7.ドライウェルフランジ
8.原子炉圧力容器
9.生物シールド
10.第二コンクリート遮蔽壁
11.立鋼ドライウェル
12.ビーム
13.コンクリート埋込部
14.ジェットノズル
15.拡張ベローズ
16.ベントヘッダー
17.排水管
18.水（ウェットウェル）
19.シェル接合領域
20.土台基盤
21.原子炉建屋（側壁）
22.プラットフォーム
23.バルクヘッド
24.減圧室
25.ベントバルブ
26.クレーン
27.使用済み燃料
28.冷却液パイプ
29.冷水パイプ（発電機から）
30.蒸気パイプ（発電機へ）
31.制御棒作動装置
39.制御棒
40.スチームセパレーター
41.スチームドライヤー
42.ベント/ヘッドスプレー