原子核是帶正電荷的粒子，不能自旋的核沒有磁矩，能自旋的核有循環的電流，會產生磁場，形成磁矩（μ）。
μ=γP
式中，P是角動量矩，γ是磁旋比，它是自旋核的磁矩和角動量矩之間的比值，因此是各種核的特征常數。
當自旋核（spin nuclear）處于磁感應強度為B0的外磁場中時，除自旋外，還會繞B0運動，這種運動情況與陀螺的運動情況十分相像，稱為拉莫爾進動（larmor precess）。自旋核進動的角速度ω0與外磁場感應強度B0成正比，比例常數即為磁旋比（magnetogyric ratio）γ。式中ν0是進動頻率。
ω0=2πν0=γB0
原子核在無外磁場中的運動情況如圖2，微觀磁矩在外磁場中的取向是量子化的（方向量子化），自旋量子數為I的原子核在外磁場作用下只可能有2I+ l個取向，每一個取向都可以 用一個自旋磁量子數m來表示，m與I之間的關系是
m=I,I-1,I-2…-I
圖2 1H自旋核在外磁場中的兩種取向示意圖(4張)
原子核的每一種取向都代表了核在該磁場中的一種能量狀態，I值為1/2的核在外磁場作用下只有兩種取向，各相當于m=1/2和m=-1/2，這兩種狀態之間的能量差ΔE值為
ΔE=γhB0/2π
一個核要從低能態躍遷到高能態，必須吸收ΔE的能量。讓處于外磁場中的自旋核接受一定頻率的電磁波輻射，當輻射的能量恰好等于自旋核兩種不同取向的能量差時，處于低能態的自旋核吸收電磁輻射能躍遷到高能態。這種現象稱為核磁共振。當頻率為ν射的射頻照射自旋體系時，由于該射頻的能量E射=hν射，因此核磁共振要求的條件為
hν射=ΔE（即2πν射=ω射=γB0）
研究得最多的是1H的核磁共振和13C的核磁共振。1H的核磁共振稱為質子磁共振（Proton Magnetic Resonance），簡稱PMR，也表示為1H-NMR。13C核磁共振（Carbon- 13 Nuclear Magnetic Resonance）簡稱CMR，也表示為13C-NMR。
