Il fenomeno della Risonanza Magnetica Nucleare fu scoperto indipendentemente da Felix Bloch e Edwrad Mills nel 1946, che furono insigniti del premio Nobel per la Fisica nel 1952.Essi notarono che alcuni nuclei, come ad esempio 1 H e 31 P, quando sono immersi in un campo magnetico uniforme, possono assorbire energia elettromagnetica nella regione delle radio frequenze. Quando questo accade, si dice che il nucleo entra in risonanza.Diversi atomi entrano in risonanza a diverse frequenze, a parità di campo magnetico applicato, sicché è possibile ottenere informazioni strutturali sulle molecole sotto osservazione.Per comprendere il fenomeno della risonanza magnetica nucleare è necessario comprendere come si comportano i nuclei atomici in presenza di un campo magnetico esterno.Il nucleo è costituito da due tipi di particelle elementari, protoni e neutroni. Solo i protoni sono dotati di carica elettrica +e, ma sia protoni sia neutroni sono caratterizzati da un momento magnetico angolare intrinseco, detto "spin". Questo è una proprietà caratteristica di ogni particella elementare, come la massa e la carica.Per protoni e neutroni esso assume due soli valori possibili: +1/2 e -1/2 . I protoni (e i neutroni) con spin opposto possono appaiarsi, in modo tale che lo spin risulti uguale a 0. Se all'interno del nucleo è presente un numero dispari di protoni, esisterà almeno un protone non appaiato; il suo spin coincide pertanto con quello dell'intero nucleo, che risulta diverso da zero. Solo gli atomi con numero dispari di protoni avranno un momento magnetico rilevabile e saranno nuclei RMattivi.Vi sono due modelli per descrivere la "magnetizzazione dei nuclei", ossia il fenomeno che, dopo applicazione di un campo magnetico esterno, rende evidente e misurabile il momento magnetico dei nuclei con spin diverso da zero.Il primo di essi è il modello quantistico; secondo questo, in assenza di campo magnetico, le due possibili orientazioni degli spin sono caratterizzate dalla stessa energia (e dette "degeneri"). Quando il nucleo è immerso in un campo magnetico uniforme statico, gli spin dei protoni (assimilabili a dei dipoli), potranno orientarsi secondo due direzioni, parallela o antiparallela rispetto al campo magnetico, essendo la prima condizione favorita, poiché richiede meno energia. Le energie degli spin si separano, quindi, in due livelli energetici (Figura 5. 7), la cui differenza assume un valore costante, detto "rapporto giromagnetico":  2 B h E   ,dove B è il campo magnetico applicato, h la costante di Planck. Se si è in condizione di equilibrio termodinamico, la popolazione sui due livelli si dispone privilegiando la condizione di minor energia potenziale, per questo il livello inferiore risulta più popolato del livello superiore.Figura 5. 7 Separazione dei livelli energetici in seguito all'applicazione di un campo magnetico.Si può perturbare questa condizione di equilibrio applicando un campo magnetico variabile nel tempo con un'energia uguale al valore del rapporto giromagnetico. In questo caso, i nuclei con spin parallelo, e quindi situati sul livello inferiore, acquistano energia sufficiente per compiere una transizione al livello superiore.Quando il campo magnetico esterno è annullato, il sistema ritorna nel suo stato di equilibrio (durante il cosiddetto "tempo di rilassamento" del nucleo), riemettendo la radiazione assorbita sotto forma di un segnale che può essere raccolto e analizzato, permettendo di calcolare il tempo di rilassamento nelle sue due modalità, denominate T1 e T2 e descritte in seguito.È importante sottolineare che l'energia (e quindi la frequenza) da applicare ed il rapporto giromagnetico E devono coincidere, ovvero essere in risonanza.Il secondo modello impiegato per descrivere il fenomeno della magnetizzazione del nucleo è quello classico; questo paragona il nucleo con spin ad una minuscola bussola. Il campo magnetico esterno applicato produce una rotazione del nucleo attorno alla direzione del campo magnetico ("moto di precessione di Larmor"). Il numero di rotazioni al secondo (detto "frequenza angolare") è proporzionale al campo magnetico e costituisce l'analogo della frequenza di risonanza dei livelli energetici.Applicando un campo magnetico variabile, si ottiene il passaggio da un'orbita di precessione all'altra; questo è l'analogo della transizione energetica tra un livello e l'altro.