３日午後１２時３０分ごろ、北朝鮮北東部でマグニチュード（Ｍ）６を越える地震波が感知されたことを受け、日本政府は慌ただしく動いた。安倍晋三首相は東京の私邸に留まっていたが、官邸に急行して記者会見を開き「北朝鮮が核実験を強行したことは断じて容認できない」と述べた。続いて関係部署に情報分析と国民に対する正確な情報提供、米・韓・中・露との緊密な連携を指示し、国家安全保障会議（ＮＳＣ）を招集した。会議直後の午後２時ごろ、河野太郎外相は日本政府が北朝鮮の地震波を核実験だと断定したと明らかにした。引き続き北京の外交チャネルを通じて北朝鮮に抗議したと説明した。

小野寺五典防衛相は今回の核実験に伴う放射性物質の分析のために、集塵ポットを搭載した航空自衛隊機を出発させたと明らかにした。航空自衛隊機Ｔ４はこの日午後２時、航空自衛隊三沢基地（青森県）、築城基地（福岡県）、小松基地（石川県）から離陸した。これら航空機は韓半島（朝鮮半島）に近接する日本地域上空を数時間飛行した後、基地に戻った。近く航空自衛隊輸送機Ｃ－１３０もキセノンなどの不活性ガスを収集するために出発させる予定だとしている。

安倍氏はその後、改めて声明を発表した。安倍氏は「北朝鮮が本年も累次にわたり弾道ミサイルの発射を強行したこと等を受けて、国連安保理はこれらを強く非難してきた」とし「こうした中、今回、北朝鮮が核実験を強行したことは、我が国として断じて容認できない」と明らかにした。引き続き「北朝鮮に対して厳重に抗議し、最も強い言葉で断固として非難する」と強調した。

また「我が国独自の措置及び関係国連安保理決議に基づく措置を着実に実施していく」とし「米国、韓国、中国及びロシアを始めとする関係各国や国際社会との協力をさらに強化していく」と説明した。

菅義偉官房長官は記者会見を２回開き、北朝鮮に対する石油禁輸も推進していく立場を繰り返し明らかにした。菅氏は「北朝鮮に対して圧力を強化していくことが最も効果があるかという観点から、厳しい対応を真剣に検討していく」としながら「原油、石油製品の取引規制も含めて、さまざまなことが選択肢にある」と述べた。あわせて「日米韓で国連安全保障理事会の緊急会合の開催に向け、調整を開始している」と紹介した。

執権自民党は党本部で緊急役員会議を開いた。二階俊博幹事長は「度重なる弾道ミサイル発射に加え、これまでにない規模の核実験を行ったということは、我が国と世界を恐怖に陥れる暴挙で許されるものではない」と述べた。

南山大の平岩俊司教授は今回の核実験について「ミサイルに加えて核爆弾の技術も向上しているとアピールする目的があった」としながら「今月９日には北朝鮮の建国記念日が控えており、さらなる挑発に出る可能性もある」と指摘した。ＮＨＫは地震波の観測以降、生放送体制で２時間近く関連ニュースを流し、日本の各新聞は号外を発行した。