Nikkei 225 stängde 10,6 procent ned, men föll tidvis över 14 procent under sessionen. Tillsammans med måndagens fall på 6,2 procent har Nikkei 225 därmed haft sin största nedgång på två dagar sedan indexet introducerades 1949.

"Produktion och affärsaktivitet kommer att falla då många fabriker och elektroniktillverkare har stängt. Aktiemarknaden prisar in osäkerhetsfaktorer, inklusive en kärnkraftsolycka", sade Yutaka Yoshii, strateg på Mito Securities, till Bloomberg News.

Japans premiärminister Naoto Kan sade i ett tv-sänt tal att risken för ytterligare radioaktiva läckor ökar efter en tredje explosion i reaktor två vid kärnkraftverket i Fukushima. Samtidigt brinner det i reaktor fyra och människor inom 30 kilometer från kärnkraftverket uppmanas att stanna inomhus.

Chefskabinettssekreterare Yukio Edano sade till journalister att radioaktiviteten är på sådana nivåer att människor kan skadas.

"Det finns en global oro för en allvarlig kärnkraftsolycka i Japan, vilket skulle göra en dålig situation till en katastrofal sådan", sade Shane Oliver, chefsstrateg på AMP Capital Investors, till Bloomberg News.

Sedan årshögstanoteringen den 21 februari har Nikkei 225 fallit med 21 procent och därmed gått in i en så kallad "bear market".

Hitachi, som tillverkare system för kärnkraftverk, föll 13 procent. Mitsubishi UFJ Financial Group, Japans största bank sett till marknadsvärde, tappade 9 procent. Mitsui Fudosan, det största fastighetsbolaget i Japan sett till omsättning, backade 16 procent.

Börserna i övriga regionen drogs med ned i fallet, även om nedgångarna inte var lika dramatiska. Hongkongs Hang Seng Index tappade 3,3 procent och Shanghai Composite Index sjönk 2,0 procent.