大地震發生後，日本自衛隊成為搶險救災的主力，其出動的兵員數達到10萬人。日本陸海空自衛隊的應急作戰能力在這次救災行動中得到了檢驗。
陸上自衛隊動用精銳力量。據日本媒體報道，陸上自衛隊在災難爆發之初表現出了比較出色的動員能力。地震發生在當地時間3月11日下午14時46分，宮城縣知事村井嘉浩在15分鐘之內，即下午15時之前就向陸上自衛隊提出派遣賑災人員的要求。陸上自衛隊馬上動用最精銳的力量——中央應急集團，其下屬的三支王牌部隊中，有兩支在第一時間就迅速派員趕赴災區，它們是特殊武器防護部隊（核生化部隊）和直升機部隊。
日本陸上自衛隊中央應急集團在全國分散部署了2700名快速反應人員、410輛軍車和30架直升機，以確保能在2小時內對突發事件作出快速反應。這些人員中就包括核生化特種兵。地震發生後，部署琦玉縣的快速反應部隊從核生化特種兵中選派 20人的先遣隊以及 90人的第二梯隊，迅速趕往福島核電站。
據日本時事社報道，特殊武器防護部隊是日本應對核災難的最重要依靠。他們能夠在源頭設置防護屏障，並將一線險情及時傳回後方。這次在福島核電站一線的特殊武器防護部隊配備了4輛化學防護車和6輛除輻射車。除了負責人員疏散工作，他們還與經濟産業省原子能保安院合作監控輻射量，並用消防車冷卻核反應爐。
航空自衛隊F-15亮出絕活。航空自衛隊的應急作戰能力在此次救災行動中也有所體現。190架各型飛機相繼參與進來，其中包括25架最先進的F-15J戰鬥機和P-3C巡邏機。最值得關注的是，航空自衛隊在第一時間派出8架F-15J戰鬥機對災區進行空中巡視。因為F-15J擁有一項獨特的技能：航空自衛隊已開發出覆蓋本土和所有離島的機載電腦標識系統，並將軍事基地、核電站等戰略設施和國家機構等重要建築物納入該系統，以供軍用飛機識別並有效保衛重要目標，或者對已遭奪佔的目標實施打擊。
海上自衛隊反應迅速。據日本防衛省要求海上自衛隊在國家發生緊急事件，即5級以上地震或捲入局部及以上烈度的軍事衝突時，其所有在港艦艇能在4小時內完成出發前的準備工作。海上自衛隊的表現令防衛省和媒體都很滿意。地震發生39分鐘後，橫須賀基地的艦艇就已全部出動，後面又陸續有數十艘大型戰艦在規定時間內啟動奔赴災區。
與此同時，日本政府依照日美安保條約向駐日美軍求援，美軍承諾至少派遣6艘軍艦參與救災，其中包括“喬治治華盛頓”號和“羅納德德里根”號航空母艦。總體來看，日本自衛隊為應對“最重大事件”設立的中央應急集團，在這次救災行動中充分檢驗了其應急作戰能力。
飛行“精英”痛失座駕。松島基地駐紮第4航空團和松島救難隊，基地受到2米高海嘯侵襲，建築物2樓以下都浸泡在海水中。松島基地的28架戰機遭到淹沒，包括全部18架F-2戰鬥機、4架T-4練習機、4架UH60直升機等。
由於海浪侵襲速度相當快，這些戰鬥機無法轉移和升空避難，瞬間被海嘯淹沒。目前，海水已經退卻，航空基地開始清理，但是防衛省擔心，這28架戰機可能因為有不少程度的損傷，加上海水的侵蝕和泥水灌入戰鬥機機體，修復飛行的作業會十分困難，甚至可能已經無法使用。特別是18架 F-2型戰鬥機和一些其他機型可能受到“永久性”損壞，每架價值1億美元，損失極其慘重。這是報道出來的戰機損毀。
軍事實力總體遭受重創。大地震給日本整個軍事能力造成巨大影響。大地震發生後，日本航空自衛隊位於宮城縣的松島基地瞬間被地震所引發的海嘯吞沒，與第4航空團第21飛行隊的18架F-2B雙座戰鬥教練機同時被水浸泡報廢的還有第 11飛行隊的 T-4教練機、松島救難隊的U-125A救難飛機和UH-60J救援直升機。
日本陸上自衛隊則有五個集團軍中的一個集團軍受到損失。日本駐仙臺的近衛第二裝甲師裝備的眾多裝甲車，包含 90式坦克都遭到海水淹沒而宣告無法使用。此外，福島縣和岩手縣陸上自衛隊的基地也遭到地震的重創。
日本的彈道導彈防禦系統也被懷疑受到巨大創傷。與有形的軍事實力損傷相比，支撐日本軍力的基礎工業受損情況更為嚴重。按照日本政府的説法，此次地震波及的是日本工業最發達的“京濱工業地帶”，集中了日本最重要的核能、汽車、鋼鐵、石化、複合材料、電子、特種玻璃、發動機、微型軸承等工業。（高衛民）
