Pauli在1924年指出某些原子核具有磁矩。1945年12月Edward Mills Purcell 和1946年1月Felix Bloch分別以實驗觀測到強磁場下原子核的能階分裂產生的電磁輻射吸收和能階躍遷的共振吸收訊號，此現象稱為核磁共振^註，簡稱為NMR (Nuclear magnetic resonance) ，兩人並因而共同獲得1952年的諾貝爾獎。

    核磁共振的原理其實與前面電子自旋共振（ESR）相似。在電子自旋共振實驗中，將軌道角動量為零的原子置於外加強磁場中時，由於電子與生俱來具有的自旋磁矩在磁場中可以有二個方向（順磁或逆磁方向），所以原子原本一條能階會分裂成二條；當輸入電磁波能量恰為該能階差時，便可誘使低能階狀態（此時m_s = l/2）的電子激發至高能階（m_s = -1/2），這種電子吸收電磁輻射而產生能階躍遷的現象即稱為電子自旋共振，詳情請參見ESR實驗的內容。

    原子核內的質子和中子(統稱為核子) 同樣也有自旋磁矩和自旋角動量。核的自旋磁矩m及角動量I之關係可表示為，

其中m_p為質子的質量。g_N 為核的蘭德因數（Lande factor），g 為核磁矩與自旋角動量之比值，又稱為核的迴轉磁比率(gyromagnetic ratio) 。g或g_N的數值與原子核組成有關，目前只能由實驗決定出數值。

    習慣上常將核磁矩以核磁元(nuclear magneton) m N為單位表示，

稱為波耳磁元（Bohr magneton）。

因此核磁矩又可表示為

    根據量子力學，核自旋角動量大小I與核自旋量子數I (簡稱自旋)關係為

若是核自旋為I的原子核置於外加的強磁場中時(習慣上將此方向定為直角座標的z軸)，則磁矩和角動量方向均為量子化，自旋角動量I在z軸方向可能的投影值

m=I, I-1, …, -(I-1), -I，m稱為核的自旋磁量子數。因此原本一條能階在磁場中會分裂成2I+1條。實驗發現單一核子的自旋等於1/2。而且奇數個核子組成的原子核，自旋等於1/2的奇數倍，即半整數，至於偶數個核子組成的原子核，自旋則等於1/2的偶數倍，即0或整數。

   因為磁場產生分裂的能階躍遷所需最低能量差△E與外加磁場強度B成正比，

，若提供電磁輻射能量hf 恰為此能量時便可產生核磁共振吸收現象，此時對應的電磁波頻率f稱為共振吸收頻率。對一定磁場，不同的原子核因為g_N或g不同而有不同的共振吸收頻率，所以科學上常藉由NMR的原理，測量化合物的共振吸收頻譜以得知分子構造。由於對同一化合物來看，當磁場強度改變時，共振吸收頻率也會隨之改變。

   對Glycerine或水(與質子或¹H的核自旋相同)而言，m為2.792845(單位為m_N)，因為質子的核自旋為1/2，所以對質子而言，

g_N = 5.585691

g = 2.6752×10 ⁴ rad•s^-1•G ^-1。