Землетрясение произошло вдоль хорошо известной зоны надвига длиной 60 километров, которая параллельна Кавказскому хребту и имеет направление на северо-северо-восток. Сейсмолог из Университета в Беркли Брюс Болт исследовал этот надвиг в 1992 году и обнаружил, что вертикальное смешение составляет 1 метр вдоль большей части зоны, а в юго-западной части достигает 1,6 метра. Во время землетрясения северо-восточная часть Спитака сдвинулась и наехала на юго-восточную часть.
Моделированием было установлено, что разлом возник на глубине около 5 километров с эпицентром в зоне Алавара на склонах Малого Кавказа к северу от горы Арагац. Основной толчок спровоцировал разрыв поверхности и распространился на запад с отдельным сдвигом, который произошел к югу от эпицентра. В общей сложности в первые 11 секунд после самого сильного толчка произошло пять отдельных землетрясений, самое сильное из которых имело магнитуду 5,8 и произошло через четыре с половиной минуты после основного толчка.
Интенсивность. Самые сильные толчки ощущались в районе Спитака. Ощутимые толчки регистрировались также в Азербайджане, Грузии и Иране. Интенсивность землетрясения составила в Спитаке X баллов по шкале Медведева-Карника, в Ленинакане, Кировакане и Степанаване IX баллов. Интенсивность составила Табакскури и Боржоми VII баллов, в Богдановке, Тбилиси и Ереване VI баллов, в Гори - V баллов, в Махачкале и Грозном - IV балла, в Шеки и Шемахе - III балла.
Ущерб. Некоторые из сильнейших толчков произошли в промышленных областях с развитой химической и пищевой промышленностью, электрическими станциями и подстанциями. Мецаморская (Армянская) АЭС, расположенная на расстоянии около 75 километров от эпицентра, испытывала лишь незначительные толчки и никаких повреждений не произошло, но в конце концов через шесть лет была закрыта в связи с опасностью землетрясений. Она была снова открыта в 1995 году несмотря на критику конструкции АЭС и политическую нестабильность на Кавказе. В то время помощник гендиректора Международного агентства по атомной энергетике Моррис Розен сказал: "Вы не должны были строить станцию на этой территории, исходя из того, что стало известно в настоящее время".
Многие здания не выдержали землетрясения и в руинах невозможно было выжить, а отсутствие эффективной медицинской помощи и плохое планирование способствовали катастрофическим последствиям землетрясения. Здания, которые не были разрушены, имели хорошие кладки и были построены таким образом, чтобы здание противостояло сейсмическим волнам.
Большинство мостов, туннели и другая общественная инфраструктура выдержали землетрясение, чего нельзя сказать о местных больницах, большинство из которых были разрушены, а две трети врачей погибли, было разрушено оборудование и медицинское обслуживание стало испытывать нехватку практически во всем.
Советские средства массовой информации и чиновники вскоре начали обсуждать те причины, которые привели к разрушению такого огромного числа зданий. Михаил Горбачев в интервью телевидению после возвращения из Нью-Йорка через несколько недель после землетрясения сказал, что отдельные блоки, из которых строили здания, содержали слишком много песка и слишком мало бетона, и предположил, что бетон был украден. Леонид Бибин, заместитель председателя Госстроя, заявил, что многие новые дома были разрушены и что он начинает расследование этого и что будет открыто несколько уголовных дел. Официальный орган КПСС газета "Правда" писала, что плохое строительство, как и другие негативные явления в СССР, могут быть связаны с "эпохой застоя".
Команда экспертов по землетрясениям из США провела в Армении период с декабря 1988 по январь 1989 года. Эта группа, включающая специалистов по безопасному строительству, согласилась, что недостатки в строительстве были основной причиной разрушений во время не слишком сильного землетрясения, хотя очевидно, что чересчур холодная зима увеличила количество жертв. Специалисты, которые оценивали ущерб постройкам и спасатели, демонтирующие разрушенные здания и вытаскивающие людей из завалов, также отмечали серьезные недостатки в строительстве. В СССР изменили конструирование зданий, чтобы привязать строительство к сейсмическому риску, но также признали, что многие здания не были приспособлены к тому, чтобы выдержать землетрясение с магнитудой около 7. Один из советских специалистов объяснил, что строительство в Армении ведется в расчете на интенсивность по шкале Медведева-Карника от 7 до 8, но в связи с близостью очага к населенным пунктам и его небольшой глубиной она составила 9-10 баллов.