Ursprünglich wurde das Verfahren in der Chemie zu Analysezwecken chemischer Substanzen eingesetzt. Die bildgebende medizinische Diagnostik beschäftigt sich im Wesentlichen mit den Wasserstoffatomkernen, die im menschlichen Körper mit großer Häufigkeit vorkommen. Die Wasserstoffatomkerne (Protonen) drehen sich ständig um eine Achse, was man auch als „Spin“ bezeichnet. In einem starken Magnetfeld richtet sich die diese Rotationsachse entlang des Magnetfeldes aus. Vereinfacht gesagt, wird der Körper „magnetisiert“.
Die Stärke des Magnetfeldes ist geräteabhängig unterschiedlich. Die in der Radiologie verwendeten Hochfeldmagneten haben eine Stärke von 1 bis 3 Tesla, was in etwa der Stärke eines Schrottplatzmagneten entspricht. Die Anforderungen an das Magnetfeld sind außerordentlich hoch, da für die Bildgebung ein sehr homogenes Magnetfeld erforderlich ist und das Magnetfeld in kleinen Stufen schnell veränderbar sein muss.
Unterschieden werden Permanetmagneten, Elektromagneten und supraleitende Magneten. Letztere haben den Vorteil eines sowohl hohen Magnetfeldes als auch einer hervorragenden Homogenität. Bei supraleitenden Magneten wird der Stromkreislauf des Magneten durch Helium auf ca. 4 Grad Kelvin knapp oberhalb des absoluten Nullpunktes heruntergekühlt.
Die eigentliche Messung erfolgt durch Radiowellen mit einer Frequenz im Kurzwellenbereich nahe den üblichen Rundfunkbändern. Vereinfacht erklärt, bewirken die Radiowellen, dass die im Magnetfeld ausgerichteten und kreisenden Protonen „angetippt“ werden wie ein kreisender Kreisel. Nach kurzer Zeit richten sich die Protonen wieder auf und senden dabei einen Radioimpuls zurück, der durch eine Antenne vom Gerät empfangen wird. Die Protonen in unterschiedlichen Geweben reagieren ebenso unterschiedlich auf die Radiowellen, sodass durch geeignete Wahl von Magnetfeldern und Radioimpulsen und eine anschließende komplizierte mathematische Verarbeitung (Fast Fourier Analysen) eine Ortskodierung und Gewebedifferenzierung gelingt, aus denen letztendlich das Bild berechnet wird.