NMR-spectroscopie (Nucleaire Magnetische Resonantie) is een soort spectroscopie waarmee chemici de structuur van een molecuul kunnen zien. De kernen van bepaalde atomen hebben bepaalde magnetische eigenschappen wanneer ze in een sterk magnetisch veld worden geplaatst. Atomen als koolstof, waterstof en fluor kunnen op deze manier worden gedetecteerd.
Een chemisch monster wordt bereid door een kleine hoeveelheid van het monster in een NMR-buis te doen. Het wordt opgelost in een speciaal oplosmiddel zoals zwaar water (zie deuterium) of chloroform-d, waarna de buis in de NMR-machine wordt geplaatst. De machine is een grote magneet, zoals een MRI. Sommige atomen in het monster worden aangeslagen wanneer het zich in de magneet bevindt, en wanneer het monster wordt verwijderd, gaan de atomen terug naar een lagere energietoestand. Een op de NMR aangesloten computer kan deze verandering in opwinding detecteren, waardoor verschillende pieken en bulten op het NMR-diagram verschijnen. Een chemicus kan dit diagram afdrukken en de verschillende pieken bestuderen.
De meeste NMR machines kunnen alleen prikkelingen van één type atoom detecteren. Zo kan een1 H NMR alleen waterstofatomen "zien". Een13 C NMR kan alleen activiteit van koolstofatomen zien.
Een NMR diagram toont een x-as met eenheden van deeltjes per miljoen, of "verschuiving". Pieken die verder naar links in het diagram voorkomen (deze pieken zijn naar beneden verschoven) vertegenwoordigen waterstofatomen die dichter bij elektronegatieve atomen zoals zuurstof of stikstof liggen, of verbonden zijn met een aromatische ring (benzeen). Ook waterstofatomen die aan andere waterstofatomen grenzen kunnen pieken splitsen. Als er n waterstofatomen "naast" één waterstofatoom liggen, wordt de piek van die ene waterstofatoom gesplitst in n+1 pieken. Als een waterstofatoom bijvoorbeeld aan drie andere atomen grenst, wordt dat waterstofatoom gesplitst in 4 kleinere pieken, die een kwartet worden genoemd. Waterstofatomen die deel uitmaken van O-H of N-H bindingen worden niet gesplitst, maar verschijnen in het diagram als een afgeronde klomp, een zogenaamde brede piek. Door naar al deze factoren in een diagram te kijken, kan een chemicus uitzoeken welke verbindingen er in zijn of haar monster zitten, en kan hij of zij bepalen of de verbinding die hij of zij heeft gemaakt zuiver is.