日本観測史上最大の規模

気象庁は当初マグニチュードを、気象庁マグニチュードで7.9と速報値を発表したが、後に8.4という暫定値を発表した。その後、新たにモーメントマグニチュードで8.8と発表し、1900年以降で最大だった1933年昭和三陸地震のMw8.4や1963年択捉島沖地震のMw8.5を上回って、日本の近代地震観測史上最大となった。さらに、3月13日には外国の安定した遠地波形データも用いて9.0と発表した。通常、日本の地震で使用されるマグニチュードは「気象庁マグニチュード (Mj)」と呼ばれるもので、発表されたM7.9、8.4は気象庁マグニチュードの値であったが、M8.8、9.0は「モーメントマグニチュード (Mw)」の値であった。M9.0は、大正関東地震（1923年）の約45倍、兵庫県南部地震（1995年）の約1450倍のエネルギーに当たる。
気象庁は、地震発生3分後にMj7.9と推定した時点ではマグニチュードの「頭打ち」が起こっているとは認識できず、想定されていた宮城県沖地震が発生したものと判断した。しかし実際には地震があまりに巨大だったため、地震発生から約1時間14分後（16時）に発表された暫定値の気象庁マグニチュード8.4でも正確な規模の把握はできなかった。通常15分程度で算出できるモーメントマグニチュードも、国内の広帯域地震計がほぼ振り切れたため対応できず、国外の地震波形データを用いMw8.8と算出したのは約54分後（15時40分）と時間が掛かった（報道発表は精査後の17時30分、地震発生から約2時間44分後）。しかし、長野県長野市松代にある気象庁精密地震観測室では、アメリカ地質調査所 (USGS) が運営するライブ・インターネット地震サーバー (LISS:Live Internet Seismic Server) などのデータを解析し地震から約10分後にはM9を算出していたがこの計算結果は警報に使用されなかった。また、アメリカ地質調査所は当初、モーメントマグニチュードを8.8と発表、地震発生から約34分後に8.9、約6時間後に9.0と速報値、同15日に確定値を発表し、1900年以降に世界で発生した地震の中で4番目の規模と発表した。