将具有核自旋的物质放入磁场，则自旋的能级分裂。如果外加具有与该能级差相等的具有一定振动频率的电磁波，则发生能级间的跃迁，这种现象称为核磁共振，缩写为 NMR。 ¹ H、 ² H、 ¹³ C、 ¹⁴ N、 ¹⁷ O， ² 3 Na、 ³¹ P和 ³⁵ Cl等均具有自旋的核。产生 NMR的条件因核的种类不同而异，例如对质子来说，电磁波的频率为 100MHz时，磁场强度为 23487高斯。分子和原子因有电子的影响，核共振磁场强度有少许变化，此称化学位移（ chemical shift），其大小因分子种类或电子在分子中的位置而异。例如因组氨酸的 C₂ 位的质子位移，比其他氨基酸为大，所以测定蛋白质的 NMR会得到组氨酸的信息。 NMR弛豫依赖于分子之旋转或旋进等运动，故对弛豫之测定可以了解分子的动态过程。最近由于超导磁铁之应用，可获得稳定的强磁场，从而普及了高频率 NMR的测定（例如对于质子，频率 360MHz，磁场强度为 84553高斯）。同时也使用了电磁波脉冲照射，再将得到的信号进行傅立叶变换的测定，提高了分解力和感应能力，缩短了测定时间。在与活体有关的低分子化合物、蛋白质、核酸和生物膜（磷脂）等方面进行着大量的研究。