根據量子力學原理，與電子一樣，原子核也具有自旋角動量，其自旋角動量的具體數值由原子核的自旋量子數I決定，原子核的自旋量子數I由如下法則確定：
1）中子數和質子數均為偶數的原子核，自旋量子數為0；
2）中子數加質子數為奇數的原子核，自旋量子數為半整數（如，1/2, 3/2, 5/2)；
3）中子數為奇數，質子數為奇數的原子核，自旋量子數為整數（如，1, 2, 3）。
迄今為止，只有自旋量子數等于1/2的原子核，其核磁共振信號才能夠被人們利用，經常為人們所利用的原子核有： 1H、11B、13C、17O、19F、31P。
由于原子核攜帶電荷，當原子核自旋時，會產生一個磁矩。這一磁矩的方向與原子核的自旋方向相同，大小與原子核的自旋角動量成正比。將原子核置于外加磁場中，若原子核磁矩與外加磁場方向不同，則原子核磁矩會繞外磁場方向旋轉，這一現象類似陀螺在旋轉過程中轉動軸的擺動，稱為進動。進動具有能量也具有一定的頻率。進動頻率又稱Larmor頻率：
υ=γB/2π
γ為磁旋比，B是外加磁場的強度。磁旋比γ是一個基本的核常數。可見，原子核進動的頻率由外加磁場的強度和原子核本身的性質決定，也就是說，對于某一特定原子，在已知強度的的外加磁場中，其原子核自旋進動的頻率是固定不變的。
原子核發生進動的能量與磁場、原子核磁矩、以及磁矩與磁場的夾角相關，根據量子力學原理，自旋量子數為I的核在外加磁場中有2I+1個不同的取向，原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數之間跳躍，而不能平滑的變化，這樣就形成了一系列的能級。這些能級的能量為：
E= -γhmB/2π
式中，h是Planck常數（普朗克常數）（6.626x10-34）；m是磁量子數，取值范圍從-I到+I，即m= -I，-I+1， … I-1，I。
當原子核在外加磁場中接受其他來源的能量輸入后，就會發生能級躍遷，也就是原子核磁矩與外加磁場的夾角會發生變化。根據選擇定則，能級的躍遷只能發生在Δm=±1之間，即在相鄰的兩個能級間躍遷。這種能級躍遷是獲取核磁共振信號的基礎。根據量子力學，躍遷所需要的能量變化：
ΔE=γhB/2π
為了讓原子核自旋的進動發生能級躍遷，需要為原子核提供躍遷所需要的能量，這一能量通常是通過外加射頻場來提供的。當外加射頻場的頻率與原子核自旋進動的頻率相同的時候，即入射光子的頻率與Larmor頻率γ相符時，射頻場的能量才能夠有效地被原子核吸收，為能級躍遷提供助力。因此某種特定的原子核，在給定的外加磁場中，只吸收某一特定頻率射頻場提供的能量，這樣就形成了一個核磁共振信號。
核磁共振譜
有兩大類：高分辨核磁共振譜儀和寬譜線核磁共振譜儀。高分辨核磁共振譜儀只能測液體樣品，譜線寬度可小于1赫，主要用于有機分析。寬譜線核磁共振譜儀可直接測量固體樣品，譜線寬度達10赫,在物理學領域用得較多。高分辨核磁共振譜儀使用普遍，通常所說的核磁共振譜儀即指高分辨譜儀。
按譜儀的工作方式可分連續波核磁共振譜儀（普通譜儀）和傅里葉變換核磁共振譜儀。連續波核磁共振譜儀是改變磁場或頻率記譜，按這種方式測譜，對同位素豐度低的核，如C等，必須多次累加才能獲得可觀察的信號，很費時間。
傅里葉變換核磁共振譜儀，用一定寬度的強而短的射頻脈沖輻射樣品，樣品中所有被觀察的核同時被激發，并產生一響應函數，它經計算機進行傅里葉變換，仍得到普通的核磁共振譜。傅里葉變換儀每發射脈沖一次即相當于連續波的一次測量，因而測量時間大大縮短。