已知核磁矩在外磁场的作用下旋进，可以求得其旋进角速度为，若再在垂直于的方向加一个频率在射频范围的交变磁场 B (如图4所示)，当其频率与核磁矩旋进频率一致时，便产生共振吸收；当射频场被撤去后，磁场又把这部分能量以辐射形式释放出来，这就是共振发射。这共振吸收和共振发射的过程称为核磁共振。

由于相邻两个能级对应的核自旋磁量子数的改变量， 因而只有在相邻两个能级间的跃迁才是允许的。于是，交变磁场的频率所对应的能量应等于相邻子能级的能量差，由(3)式可得，所以发生核磁共振的条件应是

即
（4）

利用量子力学的理论不仅能够算出共振频率，而且能够算出对于不同频率的净吸收能量，从而确定吸收曲线的形状。净吸收能量取决于两个能级之间的跃迁概率和处于每个能级的粒子数目，详细的计算方法这里不再讨论。在核磁共振中经常要考虑氢核即质子的共振。例如，质子在外磁场中，由磁矩平行于的态跃迁到反平行于的态，，于是共振频率，当。这一频率落在微波范围，波长约7m。

实现核磁共振，既可以保持磁场不变而调节入射电磁波的频率，也可以使用固定频率的电磁波照射，而调节样品所受的外磁场。图5是调磁场核磁共振示意图，其装置由四部分组成：
   (1) 永磁铁，用来产生强大的外磁场，标准仪器产生的场强为1.4 T。
   (2) 扫描线圈，用于使外磁场作微小振荡，从而使我们能在示波器上看到尖锐的共振峰。
   (3) 射频振荡器，它用于产生固定频率的电磁辐射，通常频率 ，这个辐射的磁场起 的作用。
   (4) 探测器，用于探测从振荡器中吸收的能量。
 

图6是调频率核磁共振示意图，样品(如水)装在小瓶中置于磁体两极之间，瓶外绕以线圈，由射频振荡器向它输入射频电流。这电流就向样品发射同频率的电磁波，其频率大致与外磁场对应的频率相等。为了精确地测定共振频率，就用一个调频振荡器使射频电磁波的频率在共振频率附近连续变化。当电磁波频率正好等于共振频率时，射频振荡器的输出就出现一个吸收峰，它可以从示波器上看出，同时由频率计数器读出此共振频率。