４月20日午後４時52分ごろ、三陸沖を震源とするマグニチュード（M）7.7の自身があり、青森県階上（はしかみ）町で震度５強を観測した。これに伴い、北海道、青森、岩手両県の太平洋沿岸では一時、津波警報が発表され、岩手県久慈市で80cmの津波が確認された。震源の深さは約19km。
気象庁などは同７時半、北海道から千葉県にかけての７道県182市町村の住民に対し、より大きな地震への注意を呼びかける「北海道・三陸沖後発地震注意情報」を発表した。この地域の住民に対し27日午後５時までの１週間は、すぐに逃げられる態勢を維持するなどの特別な備えを求めている。
各地で観測された津波は、岩手県宮古市で40cm、仙台市で30cmなど。津波警報は午後８時15分に津波注意報に切り替えられ、同11時45分にすべて解除された。
今回の地震では、遠隔地のビルなどの高層階を大きく揺らす長周期地震動も広い地域で観測された。その範囲は北海道から静岡県にまで及んだ。また、総務省消防庁によると、午後８時15分現在、北海道、青森、岩手、宮城、福島の５道県13市21町６村の計18万2,181人に避難指示が出された。