15 marca w okolicy basenu wypalonego paliwa reaktora nr 4 wybuchł pożar (prawdopodobnie wskutek wybuchu wodoru) i moc dawki promieniowania w bezpośrednim sąsiedztwie reaktorów nr 3 i 4 znacznie wzrosła. Poziom promieniowania przy bramie elektrowni o godz. 1:00 w nocy czasu polskiego wynosił 11 930 μSv/h; promieniowanie stopniowo spadało. O godz. 18:00 czasu polskiego, przy budynku reaktora nr 3, w którym użyto paliwa typu MOX, zawierającego pluton, uzyskiwanego na drodze przetwarzania zużytego paliwa jądrowego, zanotowano poziom promieniowania równy 400 000 μSv/h (0,4 Sv/h), a przy budynku reaktora nr 4 zanotowano poziom promieniowania równy 0,1 Sv/h. Z terenu elektrowni czasowo ewakuowano cały personel; akcję ratowniczą kontynuowało tylko kilkudziesięciu ochotników. Francuski Urząd ds. Bezpieczeństwa Jądrowego (ASN) i fińska Agencja Bezpieczeństwa Radiacyjnego i Nuklearnego (STUK) uznały, że awarii mógłby zostać przypisany 6. stopień w siedmiostopniowej międzynarodowej skali INES oraz . Władze japońskie wprowadziły wokół elektrowni strefę zakazu lotów o promieniu 30 km. Premier Japonii Naoto Kan oświadczył, że osoby mieszkające w promieniu od 20 do 30 km od elektrowni powinny pozostawać w domach. W dniach 13–15 marca w odległości ok.