Phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR được xây dựng trên nguyên tắc spin hạt nhân (trong nguyên tử, hạt nhân tự quay quanh trục có moment động lượng riêng là spin
Luận văn Thạc sĩ Chương 2 : Các phương pháp phân tích cấu trúc
hạt nhân) dưới tác dụng của từ trường ngoài thì có thể chia thành hai mức năng lượng. NMR hoạt hóa spin hạt nhân khi nguyên tố có số proton hoặc neutron lẻ. Như thế 1H cho ta tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân, đây là proton được sử dụng nhiều nhất vì 1H chiếm tỉ lệ gần 100% trong tự nhiên và phổ 1H nhạy hơn. Các hạt nhân của 13C, 2H, 19F cũng cho tín hiệu NMR tuy nhiên các phân tử này ít tồn tại trong tự nhiên nên ít nhạy và ít được sử dụng hơn. Quang phổ NMR có thể được thực hiện trên nguyên tắc tìm điều kiện cộng hưởng (hoặc trong một từ trường ngoài cố định hoặc tại một tần số cố định).
Trong một phân tử, một hạt nhân được bao bọc bởi các điện tử và các hạt nhân có từ tính khác ở lân cận. Do đó tác dụng thực của từ trường ngoài vào hạt nhân nghiên cứu không hoàn toàn giống với từng hạt nhân độc lập. Khi đó có hai yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng của từ trường ngoài lên hạt nhân nghiên cứu là sự che chắn của đám mây điện tử xung quanh hạt nhân và ảnh hưởng của các hạt nhân bên cạnh có trong phân tử. Trong một phân tử, tùy theo cấu trúc mà tần số cộng hưởng của proton (hay 13C) khác nhau. Tổng số các mũi cộng hưởng đó tạo thành phổ NMR của phân tử. Mỗi phân tử có cấu trúc khác nhau sẽ có phổ NMR đặc trưng khác nhau. Hai yếu tố quan trọng trong phổ cộng hưởng từ hạt nhân là vị trí mũi (cho biết độ dịch chuyển hóa học) và hình dạng mũi (cho biết tương tác của hạt nhân đang xét với các hạt nhân kế cận). Vị trí mũi và hình dạng mũi trong phổ NMR cho biết cấu trúc của phân tử đang xét.