Die Kernspintomographie beruht auf einem besonderen atomaren Effekt. Atomkerne bestehen aus elektrisch geladenen Protonen und neutralen Neutronen. Beide haben einen "Drehimpuls", der als "spin" bezeichnet wird. Er ist bei Protonen und Neutronen genau entgegengesetzt.
Wenn in einem Atomkern genauso viele Protonen wie Neutronen sind, heben sich die Spins nach Außen hin auf. Wenn die Anzahl von Protonen und Neutronen ungleich ist, hat der Atomkern als Ganzes einen Spin, einen Kernspin.
Der am einfachsten aufgebaute Atomkern mit Kernspin ist der Kern des Wasserstoffatoms, das im Körper des Menschen am häufigsten vorkommt. Der Spin des Protons erzeugt ein schwaches Magnetfeld. Mithilfe starker Magnetfelder bringt man die Magnetfelder der Atomkerne zum Kippen. Wenn die Magnetfelder abgeschaltet werden, dann drehen sich nicht alle Achsen der Protonen gleich schnell an ihren Platz im Magnetfeld zurück.
Sie werden in unterschiedlichen Körpergeweben und Organen verschieden stark festgehalten. Dies erzeugt unterschiedliche elektrische Signale, die vom Computer zu Bildern von Organen umgewandelt werden.