Die Magnetresonanztomografie oder Kernspintomographie nutzt den Umstand aus, dass in dem äußeren Magnetfeld die Energie des Kerns davon abhängt, ob der Spin (und das damit verbundene magnetische Moment) parallel oder antiparallel zu diesem Feld ausgerichtet ist. Bei Magnetfeldern von 5 Tesla ergibt sich dadurch eine Aufspaltung der Energieniveaus des Grundzustands des Kerns in der Größenordnung von 10^-25 J, entsprechend einer Photonenfrequenz in der Größenordnung von 100 MHz. Entsprechende Strahlung kann von den Atomkernen absorbiert werden. Ohne die Kernspinresonanz wird Strahlung von dieser Frequenz in dem Probenmaterial ca. kleinfügig absorbiert.

Kernspintomographen in dem medizinischen Einsatz messen zumeist die Verteilung von Wasserstoff-Atomkernen (Protonen) in dem Körper. Anders als beim Röntgen können damit Veränderungen in dem Gewebe zumeist gut sichtbar gemacht werden. Um dreidimensionale Schnittbilder zu ermöglichen, werden inhomogene Magnetfelder benutzt, so dass jeweils ca. in einem kleinen Teil des aufgenommenen Gewebes die Resonanzbedingung erfüllt ist.

Bei der chemischen Strukturanalyse per Kernspinresonanz werden hingegen die Effekte beobachtet, die die umgebenden Elektronen und benachbarten Atome auf den Kernspin haben. Beispielsweise können freie Elektronen in der Nähe ein zusätzliches Magnetfeld erzeugen, das das äußere Feld entsprechend verstärkt oder abschwächt. Dadurch verschieben sich die Frequenzen, bei denen die Resonanzbedingung erfüllt ist.