Đây là một trong những công cụ mạnh và thường được sử dụng nhất hiện nay trong xác định cấu trúc các hợp chất hữu cơ. Có nhiều kĩ thuật xác định phổ cộng hưởng từ hạt nhân khác nhau. Tùy vào độ phức tạp của cấu trúc người ta có thể đo một hay nhiều loại phổ.
Phổ 1H-NMR cho biết môi trường hóa học của proton trong phân tử. Proton khác nhau sẽ có độ chuyển dịch hóa học khác nhau. Phổ của 1 proton hay một nhóm proton có cùng môi trường hóa học, 3 proton của nhóm CH3 chẳng hạn, thể hiện trên phổ có thể là 1 đỉnh (peak). Đỉnh này có thể là đỉnh đơn, đôi, ba... cho đến bảy đỉnh thành phần. Diện tích mỗi đỉnh tỉ lệ với số lượng proton của đỉnh. Như vậy dựa vào diện tích đỉnh có thể nhận biết số proton của đỉnh đó. Một thông số quan trọng khác của phổ 1H-NMR đó là hằng số ghép (J) tính bằng Hz, nó cho biết tương tác của proton với proton kế cận.
Phổ 13C-NMR cung cấp thông tin về môi trường hóa học của nguyên tử cacbon để xác định số cacbon không tương đương và nhận biết các dạng nguyên tử cacbon có thể có mặt trong hợp chất. Do đó phổ 13C-NMR cung cấp thông tin trực tiếp về bộ khung cacbon của phân tử. Chẳng hạn,cacbon lai hóa sp3 không liên kết với dị tố có độ chuyển dịch trong khoảng 0÷60 ppm. Cacbon liên kết đơn với oxy (trong ancol, ete) có độ chuyển dịch trong khoảng 45÷85 ppm. Cacbon lai hóa sp2 có độ chuyển dịch trong khoảng 100÷150 ppm, nếu liên kết đôi với oxy có thể chuyển dịch tới trên 200 ppm. Với kĩ thuật đo phổ hiện đại, phổ 13C-NMR thể hiện là những vạch đơn mỗi vạch có thể tương ứng với 1 nguyên tử cacbon hoặc nhiều nguyên tử cacbon nếu chúng có chung môi trường hóa học.
Các kĩ thuật xác định số lượng proton trên cacbon cho biết số proton liên kết trực tiến với mỗi cacbon. Nói cách khác, nó trực tiếp cho biết cacbon đó là C, CH, CH2 hay CH3, gián tiếp cho biết số C và H trong phân tử. Kỹ thuật thường dùng hiện nay là DEPT. Trong phổ DEPT-135, cacbon bậc IV không xuất hiện, cacbon bậc II là các đỉnh âm, cacbon bậc I và III là các đỉnh dương. Ở phổ DEPT-90 chỉ còn cacbon bậc III là các đỉnh dương trong phổ.