1、蛋白質
利用核磁譜研究蛋白質，已經成為結構生物學領域的一項重要技術手段。X射線單晶衍射和核磁都可獲得高分辨率的蛋白質三維結構，不過核磁常局限于35kDa以下的小分子蛋白，盡管隨著技術的進步，稍大的蛋白質結構也可以被核磁解析出來。另外，獲得本質上非結構化（Intrinsically Unstructured）的蛋白質的高分辨率信息，通常只有核磁能夠做到。
蛋白質分子量大，結構復雜，一維核磁譜常顯得重疊擁擠而無法進行解析，使用二維，三維甚至四維核磁譜，并采用C和N標記可以簡化解析過程。另外，NOESY是最重要的蛋白質結構解析方法之一，人們通過NOESY獲得蛋白質分子內官能團間距，之后通過電腦模擬得到分子的三維結構。
2、核酸
“核酸核磁共振”是利用核磁共振光譜學獲得關于多核酸如DNA或RNA的結構和動力學的信息。截至2003年，所有已知RNA結構中近一半已通過核磁共振波譜法確定。
核酸和蛋白質核磁共振波譜相似但存在差異。核酸具有較小的氫原子百分比，這是在NMR光譜學中通常觀察到的原子，并且因為核酸雙股螺旋是剛性的且大致線性的，所以它們不會自行折疊以產生“長程”相關性。通常用核酸完成的NMR的類型是H或質子NMR，13C NMR，15N NMR和31P NMR。 幾乎總是使用二維核磁共振波譜方法，例如相關光譜學（COSY）和總相干轉移光譜學（TOCSY）來檢測穿透式核耦合，核歐佛豪瑟效應(Nuclear Overhauser effect)光譜法（NOESY）來檢測彼此在空間上靠近的核之間的耦合。
3、糖類
糖類核磁共振光譜解決糖類結構和構象的問題。