在医院中，核磁共振成像可以帮助医生诊断疑难杂症。利用相似的原理，将核磁共振测井仪器放到井中，可以测量地层的孔隙结构、流体等信息。医学核磁共振与核磁共振测井的区别在于医学核磁共振测量对象（人体）在仪器的中心，而核磁共振测井时仪器在测量对象（地层）的中间，也就是井眼里。
核磁共振是磁矩不为零的原子核（如氢原子核），在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率射频辐射的物理过程。1946年，斯坦福大学的Bloch和哈佛大学的Purcell、Bloembergen等人首次发现了核磁共振现象，该现象很快发展成为一种非常重要的测量技术，并在物理、化学、医学及工程领域得到广泛应用。
不是所有的原子核都具有核磁共振特性，只有那些质子数、中子数中至少有一个是奇数的原子核才可以进行核磁共振测量，如氢（1H）就具有核磁共振特性，也是核磁共振测井的研究对象。无论是利用核磁共振测井评价孔隙结构还是进行流体性质评价，测量的都是地层中的氢（1H）。
核磁共振测井中有两个基本的过程：极化和弛豫。极化是给地层施加一个静磁场，使得地层中的氢核吸收能量、定向排列，宏观上呈现磁化强度。弛豫是外磁场取消后，氢核逐渐趋向随机排列，宏观磁化强度逐渐减小的过程。
饱含水岩石核磁共振信号衰减的快慢，即孔隙中氢核弛豫速度大小，与孔隙半径密切相关。氢核在孔隙中发生弛豫的一个重要原因是氢核与孔隙内壁的碰撞，每碰撞一次，原子核能量损失一部分，磁化强度降低一部分。若孔隙半径小，氢核与孔隙内壁碰撞的机会很多，能量损失快，磁化强度衰减快；若孔隙半径大，氢核与孔隙内壁碰撞的机会相对减少，能量损失慢，磁化强度衰减速度降低。因此，可以通过核磁共振测井中核磁共振信号衰减的快慢来分析储层孔隙尺寸的大小。当然，实际储层中不可能只有一种大小的孔隙，而是具有一定尺寸分布的孔隙集合体，实际测量得到的衰减信号是所有孔隙中氢核衰减信号的叠加结果，因此，不可能通过测得的衰减信号直接评价孔隙尺寸，而必须借助数学反演方法，得到不同的衰减组分及其含量，这一过程就是通常所说的核磁共振T2谱反演。
核磁共振测井是目前唯一能够测量储层孔隙结构的测井方法，利用得到的孔隙尺寸分布，可以进一步评价储层孔隙度、渗透率，以及束缚流体、可动流体饱和度等重要地质参数。除了利用氢核在孔隙中弛豫特性之外，还可进一步利用氢核在外加静磁场中极化快慢、氢核在孔隙中的扩散速度等信息，定性识别储层流体类型、定量评价流体黏度等，这就是二维或者多维核磁共振测井。