Cộng hưởng từ hạt nhân được miêu tả lần đầu vào năm 1938 bởi Isidor Rabi, sau đó được phát triển lên nhờ các thí nghiệm của Stern-Gerlach. Nhờ phát kiến này, Rabi được vinh dự nhận giải Nobel vật lý vào năm 1944. Sau đó, Felix Bloch và Edward Mills Purcell đã đồng nhận giải Nobel vật lý vào năm 1952 nhờ vào việc tìm ra phương pháp ứng dụng NMR cho mẫu chất lỏng và chất rắn. Trước đó, Yevgeny Zavoisky cũng quan sát được hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân vào năm 1941 trước cả Felix Bloch và Edward Mills Purcell nhưng các thí nghiệm của ông do không thể thực nghiệm lại nên không được công nhận.

Rabi, Bloch và Purcell đã nhận thấy các phân tử (1H và 31P) trong một môi trường từ tính, có thể hấp thụ năng lượng từ tần số radio (radiofrequence) và gây ra hiện tượng cộng hưởng từ.

Sự phát triển của kỹ thuật NMR là dấu mốc quan trọng trong lĩnh vực phân tích hóa học, sinh hóa và đồng thời cho phép sự ra đời của kỹ thuật chụp cộng hưởng từ (MRI) ngày nay.