Według mechaniki kwantowej cząstka obdarzona spinem o wartości 1/2 może przyjąć jedną z dwóch pozycji względem dowolnego kierunku: np. zgodnie ze zwrotem wektora indukcji pola magnetycznego lub przeciwnie, energia cząstki w tych stanach jest różna, jeśli cząstka posiada niezerowy moment magnetyczny. W temperaturze różnej od zera bezwzględnego cząstki zajmują oba stany z różnym prawdopodobieństwem opisanym rozkładem Boltzmanna. W temperaturze pokojowej, w stanie równowagi termodynamicznej, prawdopodobieństwo zajęcia stanu o mniejszej energii jest tylko nieznacznie większe (ok. 1 na 100 tys.). Ta nieznaczna różnica w liczbie obsadzeń powoduje powstanie makroskopowego namagnesowania.
Dodatkową wielkością, która służy do opisu zjawiska NMR, jest precesja Larmora, będąca ruchem wektora magnetyzacji wokół kierunku pola magnetycznego. Fenomenologiczny opis ruchu wektora magnetyzacji opisany został w 1946 roku przez jednego z dwóch odkrywców NMR Felixa Blocha (równania Blocha).
Częstość obrotu momentu magnetycznego jest proporcjonalna do wartości stałego pola magnetycznego, a współczynnikiem proporcjonalności jest tzw. współczynnik magnetogiryczny (giromagnetyczny).