MRAM trên thực tế có cấu trúc là một lớp tiếp xúc chui hầm từ tính có hiệu ứng từ điện trở khổng lồ. Trong MRAM, thông tin được lưu trữ bởi từ độ của lớp màng mỏng từ. Các bit thông tin được đảo khi từ độ được đảo chiều. Thông tin được đọc thông qua sự thay đổi điện trở của lớp tiếp xúc từ. Khi từ độ của các lớp từ ở trạng thái đối song song, điện trở của tiếp xúc từ lớn, tương ứng với bit (1), còn khi hệ ở trạng thái song song thì điện trở giảm mạnh, và tương ứng với bit (0). Trong những phát triển ban đầu của MRAM, người ta sử dụng cấu trúc màng mỏng từ đa lớp với hiệu ứng từ điện trở khổng lồ, nhưng cấu trúc kiểu này gây khó khăn cho sự phát triển do các lớp đều là kim loại, điện trở của linh kiện trở nên rất nhỏ và tạo ra tín hiệu yếu. Sau sự phát triển của hiệu ứng từ điện trở chui hầm (đặc biệt là hiệu ứng trong các lớp tiếp xúc sử dụng MgO[2] với tỉ số từ điện trở tới hàng trăm % ở nhiệt độ phòng), các tiếp xúc từ chui hầm với điện trở lớn (và sự thay đổi điện trở rất lớn) đã thay thế cấu trúc GMR truyền thống và tạo sự phát triển nhanh chóng của MRAM.

Thế hệ MRAM đảo từ bằng từ trường

Là thế hệ MRAM đầu tiên mà trạng thái của các lớp từ tính được đảo bằng cách sử dụng một từ trường ngoài. Cấu trúc kiểu này yêu cầu có một bộ phận tạo từ trường và do đó tạo ra kích thước ô nhớ rất lớn, tiêu tốn khá nhiều năng lượng cho bộ phận đảo từ.

Thế hệ MRAM đảo từ bằng nhiệt

Một dòng xung ngắn được đưa vào ô nhớ, chạy qua lớn tiếp xúc từ đồng thời với dòng xung tạo ra từ trường ghi và sinh ra nhiệt tại lớp rào thế chui hầm (như một điện trở) và nhanh chóng đốt nóng lớp kim loại của tiếp xúc từ. Kết quả là trường đảo từ bị giảm xuống tại lớp lưu trữ và cho phép ghi dễ dàng hơn[3]. Cấu trúc này cho phép giảm kích thước so với thế hệ đầu tiên. Tuy nhiên chúng có nhược điểm là nhiệt đôi khi làm giảm hiệu năng linh kiện và tổn hao nhiều năng lượng.

Thế hệ MRAM đảo từ bằng dòng spin (STT-MRAM)

Đây là thế hệ mới nhất đang được phát triển, hoạt động dựa trên nguyên tắc Truyền mômen spin. Nguyên lý của STT-MRAM là khi dòng điện tử phân cực spin chạy qua vật liệu từ, các spin bị phân cực. Dòng điện tử phân cực này sẽ giúp cho việc đảo từ độ ở lớp tiếp theo. Cơ cấu kiểu này cho phép loại bỏ hoàn toàn các bộ phận phụ, giảm kích thước ô nhớ đồng thời tăng tốc độ và giảm lỗi địa chỉ[4].