Cộng hưởng từ hạt nhân, hay NMR, sử dụng từ trường và sóng radio để xác định cấu trúc của các phân tử. Đây là một trong những kỹ thuật phân tích mạnh mẽ nhất trong hóa học. Nó được phát triển vào những năm 1940 và đã đoạt giải Nobel Vật lý năm 1952 và giải Nobel Hóa học năm 1991 và 2002. Nó là nền tảng của MRI, kỹ thuật chụp ảnh cơ thể người.

Kỹ thuật này hoạt động vì một số hạt nhân nguyên tử, như hydro-1 và carbon-13, có spin từ tính. Trong một từ trường mạnh, các spin sẽ tự sắp xếp theo hoặc ngược chiều với từ trường. Sóng radio ở tần số thích hợp sẽ đảo chiều spin. Tần số phụ thuộc vào môi trường hóa học của hạt nhân. Các electron che chắn hạt nhân khỏi từ trường, và sự che chắn này phụ thuộc vào các nguyên tử lân cận. Kết quả là một phổ các đỉnh ở các tần số khác nhau, tiết lộ cấu trúc của phân tử.

NMR có thể xác định sự liên kết của các nguyên tử, cấu trúc không gian của phân tử và động lực học chuyển động của phân tử. Nó có thể nghiên cứu protein trong dung dịch, theo dõi các phản ứng hóa học trong thời gian thực và phân tích hỗn hợp mà không cần tách chiết. Phương pháp này không phá hủy mẫu và chỉ cần một lượng mẫu nhỏ.

Các thiết bị này rất đắt tiền và đòi hỏi cơ sở vật chất chuyên dụng. Một máy quang phổ NMR trường cao có thể có giá hàng triệu đô la và cần một nam châm siêu dẫn được làm mát bằng heli lỏng. Nhưng để xác định cấu trúc, không có thiết bị nào khác có thể sánh được.