响应于某些磁场的施加，电子或原子核磁共振，吸收或发射电磁辐射。磁共振原理已在实验室中用于分析物质的原子和核性质。
电子自旋共振（ESR）最早是由苏联物理学家YK Zavoysky在1944年对铁元素组的盐进行的实验中观察到的。ESR使得研究以下现象成为可能：结构缺陷使某些晶体具有颜色，液体和固体样品中自由基的形成和破坏，金属中自由电子或传导电子的行为以及亚稳态的特性（激发态是长寿命的，因为在分子晶体中不会发生通过辐射进行的能量转移。
质子的核磁共振（NMR）最早于1946年在美国由费利克斯·布洛赫（Felix Bloch），威廉·W·汉森（William W. 科学家很快在几乎所有稳定的核矩大于零（约100种）的稳定核中观察到NMR。后来的NMR发现包括四极电效应。金属中NMR频率的重要变化；化学结构的变化以及一个核自旋对另一个核自旋的影响导致液体中能级的分裂。
绕其自身轴旋转或绕某个外部点在轨道中移动的物质粒子的行为就像陀螺仪：它抵抗倾向于改变其运动状态的力。该阻力的度量是机械角动量，该角动量取决于粒子的质量，其大小或轨道的大小以及角速度（每单位时间的转数）。角动量由沿旋转轴指向的矢量表示。这种运动中的电荷会产生磁场，强度和方向由表示为μ的磁矢量表示。该向量与电荷的大小（而不是粒子的质量）成正比，可测量电荷的旋转轴将其自身对准外部磁场方向的趋势。具有质量和电荷的粒子的运动都由这两个向量来表征，这两个向量将是共线的，但根据电荷的符号可能相反。
如果将不旋转的条形磁铁放在磁场中，则其北极指向该磁场的南极，并且其自身的磁场与外部磁场对齐而静止。需要进行工作以改变其方向；这意味着系统可以存储势能。因此，与磁体相关的能量取决于其磁矩，外部磁场的强度以及磁体的磁矩方向与外部磁场方向之间的角度。
在图1中，旋转的带电粒子的磁矢量μ被描绘为沿着旋转轴。周围的磁场（由矢量H表示）施加了一个趋于使μ和H对准的转矩，但是该转矩也与角动量矢量相互作用。这种相互作用的作用是使自旋轴（和磁矩矢量）经历所谓的拉莫尔进动，即描述围绕磁场方向的圆锥。根据经典电，频率（ω 大号拉莫尔进动（每向量的第二旋转圈数的）μ有关矢量ħ）应独立于取向角（θ）的。但是根据量子力学，单个粒子的取向角只能采用某些离散值，因为粒子的角动量必须是角动量基本单位的整数倍。因此，磁场中旋转的带电粒子占据了一组有限的离散磁能状态之一。
如图1所示，在磁共振设备中，弱振荡场（H '）叠加在强恒定场（H）上，其矢量在垂直于磁场方向的平面中以角速度（ω）旋转。强大的领域。如果弱叠加场的旋转（ω）的速率是从拉莫尔频率（ω不同大号进动的颗粒的），这两个旋转磁场会出相; 在完整的旋转过程中，粒子的轴将被叠加的旋转场相继吸引和排斥，并且只会轻微摆动。但是，当它们同步时，稳定的力将作用在轴上。在这种情况下，称为共振，粒子的取向角（以及其磁能状态）将突然改变。当系统升至较高状态时，会从叠加场中提取能量，反之亦然。使用振荡场产生共振有时被称为“驱动共振”。
磁共振的每个实验都涉及检测共振，即确定过渡实际上已经发生。磁共振（MR）利用电磁检测，其中在跃迁中释放或吸收的能量恰好是所测量的能量。在MR光谱仪（图2）中，从叠加场中提取的能量被连续测量并记录在带状图中，同时场的频率缓慢变化。所得的记录或频谱通常是一条直线-表示该样品没有吸收能量-被共振频率处的峰值所破坏。在典型的实验条件下，这些峰是如此之窄（因为对谐振进行了非常精确的调谐），以垂直于在非谐振频率范围内获得的平坦迹线的直线出现。这些所谓的磁共振谱线仅大致类似于在光谱中观察到的吸收和发射线。由于自旋彼此之间以及与样品的其他自由度之间的关系，大体积物质中MR的解释变得相当复杂。然而，这种复杂性对于磁共振而言是资产而不是缺点，因为正是这些相互作用的存在使MR成为研究大体积物质的杰出工具。
在许多原子中，所有电子都是成对的。也就是说，自旋方向相反，因此被中和，并且没有净自旋角动量或磁矩。在其他种类的原子中，有一个或多个不成对的电子，因此这些原子中的任何一个都有可能获得或失去各种能量的量子倍数。在许多种核中都发生相同的现象，因此核可以处于不同的磁能状态。
对于MR光谱仪中使用的几千高斯量级的磁场（高斯是磁强度的单位；地球磁场的水平强度大约为0.2高斯），NMR频率落在射频或广播范围内，而ESR频率出现在微波或雷达范围内。例如，在10 kg高斯场中的质子NMR频率为42.58兆赫兹，在同一场中，自旋的ESR频率为28,000兆赫兹。磁共振可检测到的自旋数随所施加的电场，温度，样品的性质以及核磁共振而变化（在NMR中）。在最佳条件下，NMR 可以低至10 18 个自旋，ESR 可以低至10 10 个自旋。
