1H的自旋量子數是I=1/2，所以自旋磁量子數m=±1/2，即氫原子核在外磁場中應有兩種取向。1H的兩種取向代表了兩種不同的能級，在磁場中，m=1/2時，E=-μB0，能量較低，m=-1/2時，E=μB0，能量較高，兩者的能量差為ΔE=2μB0。
式①，式②說明：處于低能級的1H核吸收E射的能量時就能躍遷到高能級。也即只有當電磁波的輻射能等于lH的能級差時，才能發生1H的核磁共振。
E射=hν射=ΔE=hν0 ②因此1H發生核磁共振的條件是必須使電磁波的輻射頻率等于1H的進動頻率，既符合下式。
ν射=ν0=γB0/2π ③由式③可知：要使ν射=ν0，可以采用兩種方法。一種是固定磁感應強度，逐漸改變電磁波的輻射頻率ν射，進行掃描，當ν射與B0匹配時，發生核磁共振。另一種方法是固定輻射波的輻射頻率，然后從低場到高場，逐漸改變B0，當 B0與ν射匹配時，也會發生核磁共振。這種方法稱為掃場。—般儀器都采用掃場的方法。
在外磁場的作用下，有較多1H傾向于與外磁場取順向的排列，即處于低能態的核數目比 處于高能態的核數目多，但由于兩個能級之間能差很小，前者比后者只占微弱的優勢1H-NMR的訊號正是依靠這些微弱過剩的低能態核吸收射頻電磁波的輻射能躍遷到高級而產生的。如高能態核無法返回到低能態，那么隨著躍遷的不斷進行，這種微弱的優勢將進一步減弱直到消失，此時處于低能態的1H核數目與處于高能態核數目逐漸趨于相等，與此同步，PMR的訊號也會逐漸減弱直到最后消失。上述這種現象稱為飽和。
1H核可以通過非輻射的方式從高能態轉變為低能態，這種過程稱為弛豫（relaxation），正是因為各種機制的弛豫，使得在正常測試情況下不會出現飽和現象。弛豫的方式有兩種，處于高能態的核通過交替磁場將能量轉移給周圍的分子，即體系往環境釋放能量，本身返回低能態，這個過程稱為自旋晶格弛豫。其速率用1/T1表示，T1稱為自旋晶格弛豫時間。自旋晶格弛豫降低了磁性核的總體能量，又稱為縱向弛豫。兩個處在一定距離內，進動頻率相同、進動取向不同的核互相作用，交換能量，改變進動方向的過程稱為自旋-自旋弛豫。其速率用1/T2表示，T2稱為自旋-自旋弛豫時間。自旋-自旋弛豫未降低磁性核的總體能量，又稱為橫向弛豫。