2011年3月11日の東北地方太平洋沖地震（東日本大震災）に伴う津波や崩落は、三陸鉄道に甚大な被害をもたらした。
路線各所で駅舎や路盤が流出し、車両も3両が使用不能となった。
しかしながら、地震発生からわずか5日後の3月16日には久慈駅 - 陸中野田駅で運行を再開、被害が小さな他の区間についても3月末までに運転再開し、被災者を勇気づけた。
被害が大きなそれ以外の区間についても、岩手県庁の補正予算や国土交通省の第3次補正予算から復旧費用が拠出される目処がついたため、復旧工事を進め2014年4月6日に全線が復旧し運転再開に至った。
また、同じく震災で不通となっている東日本旅客鉄道（JR東日本）山田線のうち、2019年3月23日の宮古駅 - 釜石駅間の運転再開の際には、経営が三陸鉄道へ移管される予定となっており、これにより営業路線の総延長が第三セクター鉄道として日本最長となる。
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2011년3월 11일의동북지방 태평양바다 지진(동일본 대지진)에 수반하는해일이나 폭락은, 산리쿠 철도에 심대한 피해를 가져왔다.
노선 각처에서 역사나 노반이 유출해, 차량도 3량이 사용 불능이 되었다.
그렇지만, 지진 발생으로부터 불과 5일 후의3월 16일에는 쿠지역 - 리쿠추 노다역에서 운행을 재개, 피해가 작은 다른 구간에 대해서도3월말까지 운전 재개해, 이재민을 용기를 북돋웠다.
피해가 큰 그 이외의 구간에 대해서도, 이와테현청의 보정 예산이나국토 교통성의 제3차 보정 예산으로부터 복구 비용이 거출되는 목표가 섰기 때문에, 복구 공사를 진행시켜2014년4월 6일에 전선이 복구해 운전 재개에 이르렀다.
또, 같은 지진 재해로 불통이 되고 있는동일본 여객 철도(JR동일본)야마다선 가운데,2019년3월 23일의 미야코역 - 카마이시역간의 운전 재개 시에는,경영이 산리쿠 철도에 이관될 예정이 되고 있어 이것에 의해 영업 노선의 총연장이 제 3 섹터 철도로서 일본 최장이 된다.