Першопричиною аварії став вихід з ладу насосу постачання у контурі системи охолодження другого реактора. Автоматично включилась аварійна система подачі охолодження, однак, не дивлячись на нормальну роботу всіх трьох аварійних насосів, вода в парогенератори не надходила із-за того, що під час раніше проведеного планового ремонту магістралі водопостачання виявились закритими.
Цю помилку було виправлено за 8 хвилин, але із-за сум'яття із проблем з водопостачанням залишились непоміченими проблеми із запобіжним клапаном, що привело до перегріву гермооболонки і перевищення допустимого в ній тиску.
До кінця дня 28 березня охолодження реактора вдалось відновити, однак на цей час розплавилась частина ядерного палива. Хоча корпус реактора залишився неушкодженим, відбувся незначний викид в атмосферу радіоактивних газів і забруднення станції радіоактивною водою, що витекла з реактора. Було вирішено, що в евакуації населення, що проживало поруч зі станцією, немає необхідності, однак губернатор Пенсільванії порадив залишити восьмикілометрову зону вагітним жінкам і дітям дошкільного віку.
Роботи з усунення наслідків аварії були розпочаті в серпні 1979 року і офіційно завершені в грудні 1993 р. Вони обійшлися в 975 мільйонів доларів США. Була проведена дезактивація території станції, паливо було вивантажено з реактора. Однак частина радіоактивної води вбралося в бетон захисної оболонки, і цю радіоактивність практично неможливо видалити.
До Чорнобильської аварії, що трапилася через сім років, аварія на АЕС «Три-Майл Айленд» вважалася найбільшою в історії світової ядерної енергетики і досі вважається найважчою ядерною аварією в США.
