采用不同的波谱技术可获得不同形式的NMR谱（如¹H谱和¹³C谱，高分辨谱和宽线谱等），从而获取特定的分子结构、分子运动和分子间相互作用信息。核磁共振波谱技术种类繁多，由此产生数以千计的脉冲序列。与其他波谱技术一样，核磁共振波谱技术的面临最大的挑战是增强灵敏度和提高分辨率。根据研究的对象不同，核磁共振波谱技术可分为固体磁共振波谱技术和液体磁共振波谱技术。根据谱的特点又可分为一维、二维和高维核磁共振波谱技术。

核磁共振波谱面临的首要问题是其信号探测灵敏度低，早期人们只能获得丰度高的质子（灵敏度最高的核）的磁共振波谱，其他灵敏度低的核（杂核如¹³C）的核磁共振谱灵敏度很低。提高核磁共振灵敏度的途径主要有两种：一是提高静磁场的强度，提高磁场强度不仅提高灵敏还改善谱的分辨率。这导致由电磁铁磁体到超高磁场超导磁体（23特斯拉）的快速发展。二是极化转移增强技术，把灵敏核或电子的高极化度转移到低灵敏度的核上，由此发展出各种各样的增强核磁共振信号的方法和技术，包括电子-核极化增强的动态核极化、核-核极化转移的核欧沃豪斯增强（液体）和交叉极化（固体），以及利用超低温探头技术来降低谱的电子噪声提高谱的信号/噪声比。

特定结构中原子核的共振频率除取决于外部磁场外，还与内部各种相互作用有关，包括化学位移相互作用、间接核间J耦合、核间偶极耦合和核四极相互作用。在固体中，这些相互作用与分子在外磁场中的取向有关，亦即各向异性相互作用，从而导致图谱更加复杂化。与固体不同，液体中的分子做快速转动和平动，快速分子运动平均各向异性相互作用产生各向同性的高分辨谱。①固体高分辨谱技术。固体中的各向异性相互作用可以通过样品旋转和操控核自旋的转动来平均。例如，魔角旋转技术，即样品绕与外磁场成54.7°（魔角）的轴快速旋转；采用异核去耦方法，对与观察核有耦合作用的核进行射频照射，使其绕射频磁场作章动；采用同核去耦方法，利用多个射频脉冲同时操控相互耦合自旋的取向。②液体高分辨谱技术。液体中相互作用是各向同性的，液体谱的影响主要来自核间J耦合，产生观测核谱线的多重分裂，导致复杂的谱和谱线的拥挤。对液体样品通常采用异核去耦简化谱线。

生物大分子由于大量共振峰的出现导致一维核磁共振谱图上谱峰重叠，给谱线的分辨和结构归属带来极大困难。更为重要的是通常一维谱不能提供核间距离和空间连接的信息。基于核间耦合发展了二维和高维核磁共振谱技术以获得更多关于分子结构的信息，特别是关于核间间距及其空间拓扑连接的信息。多维核磁共振谱已经可以解析分子量较小的蛋白质分子的空间结构。多维谱的出现也极大地提高了磁共振谱的分辨率，原来拥挤的一维图谱很好地分散到三维空间中。多维磁共振谱的种类很多，按照相互关联的一维谱的属性可以分为异核（如¹H-¹³C二维）多维相关谱，同核（¹H-¹H）多维相关谱，双量子-单量子相关谱，各向异性-各向同性相关谱等。

提高磁共振的探测灵敏度和分辨率一致是核磁共振波谱面临的挑战。随着核磁共振波谱在生物大分子结构分析中的应用，其所表征的分子的尺寸更大、结构更复杂。核磁共振谱（二维、三维）能用于解析分子量较小（15～25千道尔顿）的生物大分子的结构。较大分子量蛋白质分子结构的测量通常需要三维以上的磁共振谱，所需的测量时间呈几何级数增长，这就要求被观察的核具有极高的灵敏度或信/噪比。