福島核污水的來源主要有兩個。第一個來源是持續注入冷卻水產生的放射性污水。由于目前核燃料仍然存在于反應堆中，東京電力公司需要持續注入冷卻水以帶走堆芯中核素衰變產生的熱量,防止核燃料進一步熔化和可能導致的爆炸與泄漏問題。福島核廢水的第二個來源是降雨、地下水等自然水體進入熔化反應堆位置產生的核污水。上述來源的核污水被收集后，經過多核素去除系統(advanced liquid processing system, ALPS)處理，并就地儲存于福島核電廠區內的近千個儲水罐中。目前福島核電廠區內已經累積超過百萬噸核污水。

正因來源不同，福島核污水其核素組成與濃度與核電站正常運行狀態下的液態流出物有著本質的區別。福島核污水由于直接接觸核燃料，理論上包含堆芯內的各種裂變產物和活化產物。福島核污水中包含了⁹⁰Sr、¹³⁴Cs、¹³⁷Cs等62種主要的放射性核素，這些放射性核素即使是ALPS也無法去除，尤其是大量的³H（氚）。

半衰期較短的核素可以通過儲存放置而衰變降低濃度水平,無需采取復雜的化學分離去除。半衰期小于2年的放射性核素，經過10年的儲存衰變后將使核素活度水平下降96%以上;而擁有較長半衰期的放射性核素，如³H、¹⁴C、⁶⁰Co、⁹⁰Sr、 ¹²⁵Sb、 ¹²⁹I、 ¹³⁷Cs等，則需要采取化學分離手段進行處理,是需要被特別關注的放射性核素。

長期大量攝入上述放射性核素，會造成部分放射性核素在人體內蓄積，從而引起造血系統、內分泌系統、神經系統等損傷。盡管尚未有研究證明福島核污水排海會造成上述放射性核素大量攝入進而造成相應損傷。但這些放射性物質濃度增加對于海洋生態環境和人類生命健康將產生多大程度的影響依然還是未知數。迄今為止，國際社會還沒有排污入海的先例，福島核污水排海依然是人類最大的放射性污染排海事件。