В постоянном магнитном поле для ядер с ненулевым значением ядерного спина происходит расщепление энергетических уровней (эффект Зеемана, см. рис.). Энергетическая величина расщепления, а, соответственно, и резонансная частота определяются природой ядра атома, электронным окружением и характером внутри- и межмолекулярного взаимодействия. Примерами ядер, у которых наблюдается резонанс, являются ¹H, ¹³C, ¹⁵N, ¹⁹F, ²⁹Si, ³¹P и др.

На явлении ЯМР основаны спектроскопия ЯМР и магнитно-резонансная томография (МРТ). Во всех методах исследуемые объекты помещаются в сильные постоянные магнитные поля (до 7 Т для МРТ и до 22 Т в спектроскопии ЯМР). Основное ограничение методов — затруднение исследования образцов, обладающих ферромагнетизмом.

Спектроскопия ЯМР является важнейшим методом определения молекулярной и надмолекулярной структуры различных веществ. Диапазон исследуемых материалов очень широк и включает неорганические, органические и биоорганические объекты при наличии в их составе ядер с ненулевым ядерным спином. Спектроскопия ЯМР делится на жидкостную (жидкие или растворенные образцы) и твердотельную (твердые, вязкие и другие образцы с пониженной молекулярной и атомарной подвижностью).

Жидкостная спектроскопия ЯМР получила широкое распространение для исследования различных органических и биоорганических веществ, так как позволяет относительно просто получать спектры высокого разрешения. Наиболее часто используется жидкостная спектроскопия ЯМР на ядрах ¹H (протонный магнитный резонанс или ПМР) — наиболее распространенного и чувствительного ядра. Чуть менее распространена жидкостная спектроскопия ЯМР на ядрах ¹⁹F, ¹³C, ¹⁵N и ряде других.

Твердотельная спектроскопия ЯМР как аналитический метод нашла применение после разработки специальных аппаратных (MAS — magic angle spinning, т. е. вращение под магическим углом) и спектральных методик, которые позволили получать спектры высокого разрешения в твердых и вязких образцах. В целом твердотельная спектроскопия ЯМР по сравнению с жидкостной обладает меньшим разрешением, но значительно большей чувствительностью из-за отсутствия разбавления образца. Наиболее часто используют твердотельную спектроскопию ЯМР на ядрах ¹³C, ¹⁵N, ¹⁹F, ³¹P, ²⁹Si, ²⁷Al и др. При этом получение спектров высокого разрешения на ядрах ¹H затруднено из-за сильных диполь-дипольных взаимодействий между данными ядрами.

В нанотехнологии ЯМР находит применение как метод исследования структуры различных материалов, в частности, композитов, керамик, полимеров, гетерогенных катализаторов, биологических веществ и др. Метод ЯМР можно использовать для выявления внутренних дефектов в объектах, изучения различных динамических процессов, таких, как химические реакции, фазовые переходы и т.п.