El principal terremoto tuvo una magnitud de 5,1 (Mw) y ocurrió en tierra el 11 de mayo a las 18:47 aproximadamente hora local (16:47 UTC), aproximadamente a 2 kilómetros al noreste de la ciudad de Lorca. El Epicentro estaba situado en el subsuelo de Barranco Hondo (Lorca) y el hipocentro del terremoto fue extremadamente superficial, a unos 1000 metros de profundidad.El seísmo se dejó sentir en todo el sureste peninsular, especialmente en la Región de Murcia. En la zona se localiza el límite de placas entre la placa euroasiática y la placa africana. Sin embargo, la mayor parte de los temblores en la región no exceden las magnitudes perceptibles, por lo que generalmente no son sentidos. Se ha estimado que el terremoto fue resultado directo de una falla de desgarre cercana a otra falla mayor, la Falla de Alhama de Murcia. Esta falla es una línea muy superficial que se extiende de 40 a 50 kilómetros. Los especialistas locales también informaron de la presencia de superficies de ruptura en las cercanías de la falla. Las estimaciones iniciales del Servicio Geológico de los Estados Unidos indicaron una magnitud de 5,3 (Mw); mientras que el Centro Sismológico Euro-Mediterráneo estimó la magnitud en 5,2 (ML).
El terremoto fue especialmente grave debido a la combinación de poca profundidad (un terremoto a un kilómetro de profundidad es muy excepcional) y una magnitud moderada. Dio como resultado un gran temblor que se sintió en toda la región de Murcia. En Lorca, cerca del epicentro del sismo, grandes movimientos de tierra registraron una intensidad de VII en la escala de Mercalli, mientras que otras zonas cercanas detectaron movimientos de V en la escala Mercalli. En total el evento desarrolló la misma potencia que una explosión de 200 toneladas de TNT, o aproximadamente 8,4x10 julios.
El 22 de octubre de 2012 se dio a conocer que el terremoto de Lorca estaría relacionado con un descenso continuo del nivel de las aguas subterráneas, que hubiera generado un desplazamiento de toda la zona. Los científicos de la universidad de Western Ontario estimaron que el descenso de 250 metros en el nivel freático podría haber favorecido el terremoto, pero no se han atrevido a valorar si es la causa principal debido a la dificultad que supone estudiar los orígenes de los terremotos.
