Justo después del terremoto, muchas personas huyeron a Terreiro do Paço y a las orillas del Tajo, camino al mar, donde no había edificios. Pero los capitanes de los numerosos barcos, situados en alta mar, sintieron el violento movimiento de las aguas: a unos 250 kilómetros de la costa, el terremoto había desplazado billones de litros de agua, creando un tsunami que golpearía Lisboa alrededor de las 11:00 de la mañana. La Torre Bugio, en la desembocadura del río Tajo, fue una de las primeras construcciones en sufrir los efectos del tsunami. Una guarnición de soldados, allí acorralada, disparó varios tiros para pedir auxilio y solo escapó a las amenazadoras aguas por haberse refugiado en el punto más alto. En ese momento, la mayoría de los testimonios mencionan el retroceso del mar, que permitía ver el fondo hasta un punto poco habitual. Luego vino la crecida de las aguas, con la ola entrando en la ciudad y sumergiendo muchas poblaciones marítimas. Los testimonios hablan de anclas destrozadas y lanzadas a la superficie y de amarres rotos. Muchos marineros describen cómo los barcos se quedaban varados en seco y luego volvían a flotar.  

La masa de agua se convirtió en una ola que alcanzó cerca de cinco metros de altura. Nadie esperaba otra catástrofe, todos fueron tomados por sorpresa. No existía lugar alguno donde esconderse o buscar refugio. Las aguas se adentraron en calles y plazas, arrastrando madera, piedras y todo cuanto el mar encontraba a su paso.   

Un testigo describe que el río, visto desde la plaza, se elevó como una montaña de agua. El capitán de un barco, a unos 300 metros de la costa, dice haber medido la crecida del río en unos 6 metros.  

A esto le siguieron varias olas más, en un flujo y reflujo de agua que provocó que el pánico se extendiera por las zonas más bajas de la ciudad. Las olas lo destruyeron todo a su paso, arrastrando a la gente y arrojando barcos y muelles contra los edificios.   

Muchas embarcaciones varadas en seco fueron arrastradas nuevamente río abajo y, según un testigo, no quedaba nada en Arsenal ni en Ribeira, y la madera que no fue arrastrada por el mar se quedó atascada en las calles, haciendo intransitable la ciudad.  

El Cais da Pedra, una fabulosa y gigantesca construcción situada entre el malecón de Terreiro do Paço y la fortificación de la parte oriental de la plaza, desapareció, probablemente hundido en el lodo inestable, junto a la multitud de personas que se habían refugiado en este malecón hecho de mármol, pensando que allí estaban a salvo. Innumerables embarcaciones llenas de gente, que habían buscado en el río una escapatoria a la inestabilidad de la tierra, también fueron engullidas por la oscilación del mar. Muchos barcos fueron arrastrados a la otra orilla del río Tajo.  

A pesar de la huida inmediata de los que estaban en la orilla y en Terreiro do Paço, muchos fueron arrastrados por la fuerza del agua, y los que resistieron se quedaron con el agua por la cintura a una buena distancia de la orilla, en la zona de S. Paulo.  

El tsunami destruyó numerosos edificios ya de por sí frágiles, y acabó con muchos de los supervivientes al terremoto. Resulta imposible señalar con exactitud cuántas personas murieron a causa del tsunami, pero se calculan en torno a 900 víctimas por la ola que avanzó tierra adentro cerca de 250 metros. A medida que el agua retrocedía y se hacía visible la magnitud de los daños, los incendios continuaban ardiendo, ahora alimentados por las toneladas de escombros que el tsunami había dejado a su paso.  

Los especialistas aún no han logrado ponerse de acuerdo sobre qué falla o conjunto de fallas causaron el terremoto de 1755. Si se trataba de una única falla, debía ser enorme, de al menos 100 km de longitud y 50 km de anchura. Pero también pudo originarse por la fractura en cadena de dos o varias fallas grandes. La información histórica sobre el tsunami apunta a que la dimensión en conjunto de dichas fallas debió haber sido de unos 200 km de longitud y 80 km de anchura.  

Estas fallas habrían afectado al fondo del océano, provocando una elevación estimada de 20 m de altura, y causando así un tsunami transoceánico. El mayor impacto se produjo en Portugal y Marruecos, afectando también al sur de España. En el caso de Portugal continental, se estima que las olas del tsunami alcanzaron entre 10 y 15 m en la zona de Sagres, y en Lisboa se estiman haber llegado a los 5 m de altura. Las diferentes alturas que se observaron en puntos distantes del globo, pero también en regiones más contiguas, se justifican por la velocidad a la que viajan las olas de un tsunami y por las características del terreno en cada zona. La hora estimada de llegada al Faro de Bugio, frente a Paço d’Arcos, es de 30 minutos después del terremoto. En el caso de Lisboa, como la profundidad del agua en alta mar es mucho menor, las olas se propagaron mucho más lentamente, por lo que se estima que tardaron entre 60 y 90 minutos en llegar a tierra.

En esta proyección realizada en base a informes históricos, podemos ver la penetración del tsunami en la parte baja de la ciudad de Lisboa. El agua habría avanzado de 250 a 350 metros en el área del Terreiro do Paço, aproximadamente hasta donde hoy se encuentra el Arco de Augusta. Además de las muertes, la inundación causó daños materiales catastróficos, pues la mayor parte de las preciadas mercancías que llegaban por mar estaban guardadas en almacenes y astilleros navales a orillas del río. 

Grabado que retrata el terremoto, el tsunami y el incendio de Lisboa, donde se reconoce el torreón del Palacio Real en aparatosa caída. Los horrores del acontecimiento viajaron por el mundo a través de cartas, grabados y artículos publicados en gacetas, avivando durante mucho tiempo la imaginación de la gente. Incluso 100 años más tarde, volvemos a encontrar el terremoto en obras poéticas como The Deacon's Masterpiece ("La obra maestra del diácono"), de Sir Oliver Wendell Holmes, publicada en Nueva York en 1857, que cuenta la historia de un carruaje aparentemente indestructible construido el día del terremoto:

“That was the year when Lisbon-town
Saw the earth open and gulp her down,”