1924年W.泡利为解释原子光谱的某些结构，提出原子核具有角动量（即自旋）的假说。1946年F.布洛赫和E.M.珀塞耳分别发现，在静磁场中某些原子核可吸收一定频率的射频电磁波能量，并产生共振，这一现象称为核磁共振（nuclearmagnetic resonance; NMR）。此后，它广泛应用于物理、化学、生物学、地质学，成为研究物质结构、化学分析的有力工具。1967年J.杰克逊首次在活体中得到核磁共振信号。1971年R.达马地安观察到肿瘤组织弛豫时间延长，提出核磁共振可能成为诊断肿瘤的工具。60年代末，计算机断层扫描（CT）发明后，立即有人研究NMR成像。1972年P.C.劳特布尔用梯度磁场法得到一个水模型的质子NMR二维图像，这成为世界上第一个核磁共振图像。此后，相继得到植物、动物和人体的图像，技术日趋成熟后，20世纪80年代初始用于临床。1983年美国放射协会建议使用磁共振成像命名这项技术。

原子核由质子和中子组成，它们均以自身为轴作高速旋转，这称为自旋。质子带正电荷，自旋时产生磁场，也称磁矩。中子虽为电荷中性，但由于表面电荷分布不均匀，自旋时也产生磁矩。原子核中质子或中子的磁矩互相叠加，表现为原子核的总磁矩，也称净自旋。质子数或中子数均为偶数时，磁矩互相抵消。因此只要质子数和中子数并非同时是偶数，原子核就有磁矩或净自旋。人体组织中这类原子核有¹H、¹³C、²³Na、³¹P等。其中¹H的含量多，NMR灵敏度高，信号强，用来成像的主要是¹H。NMR信号强度与样品中氢核密度有关，人体中各种组织间含水比例不同，即含氢核数的多少不同，则NMR信号强度有差异，利用这种差异作为特征量，把各种组织分开，这就是氢核密度的核磁共振图像。人体不同组织之间、正常组织与病变组织之间氢核密度、弛豫时间T1、T2三个参数的差异，是MRI用于临床诊断最主要的物理基础。

MRI可利用被检组织的物理和生物化学特性作组织特性评价，以区别不同组织，通过流动效应显示血液和脑脊髓液的流动。随着MRI硬、软件的提升，时间和空间分辨率均明显提高，进一步扩大了MRI的应用范围。

MRI在中枢神经系统的成像中明显优于CT及其他影像检查，可清晰分辨脑灰质和白质，对多发性硬化等一类脱髓鞘病的诊断优于CT。对脑外伤、脑出血、脑缺血、梗塞、各种脑肿瘤和硬膜下血肿等均有良好的显示效果。尤其脑干及小脑病变的MRI图像由于没有伪影、明显优于CT，是首选检查方法。由于新近开发的扩散、灌注等功能成像序列的应用，可检测超急性期脑梗塞和脑出血改变。

MRI不需要对比剂即能清晰区分脊髓、硬膜囊和硬膜外脂肪。对肿瘤、脊髓空洞症、脱髓鞘病变等均有较高的诊断价值。对外伤，虽然MRI显示骨折或脱位不如X线平片或CT，但能观察脊髓损伤情况。MRI显示椎间盘也较好，可以分辨纤维环和髓核，特别是矢状面图像可以同时显示多个椎间盘突出。

无需对比剂，结合心电门控技术即可清晰地显示心脏大血管形态结构。应用超快速技术，可观察心脏运动功能、血流动态以及心肌灌注等情况。对缺血性心脏病、心肌病、心腔及心旁肿块、心包病患、心脏瓣膜病、先天性心脏病均有良性效果。磁共振血管成像对比增强技术可有效显示颅脑及体部血管及分支，已部分取代普通血管造影和数字减影血管造影。对肺部的检查，MRI不如X射线平片和CT，但对纵隔肿块和血管结构的分辨则优于CT。

可清楚地显示关节软骨、韧带、肌腱和肌肉等，作为无创性成像，基本上可取代关节造影术和关节镜检查，对软组织和肌肉病变包括肿瘤和炎症，尤其是早期骨髓炎等均有良好诊断效果。对显示骨缺血性坏死的早期改变，优于CT和放射性核素检查。

腹部主要是肝、胰、脾等，整体上与CT效果相似。近年来由于新的扫描技术和对比剂的应用，诊断范围和效果均有所提高。对肾肿瘤，超声和CT诊断困难时，应用对比增强MRI；肾上腺，MRI对比分辨率高，根据信号强度有助于组织特性分析，如良恶性肿瘤鉴别。

主要用于女性盆腔、子宫内膜、子宫癌和卵巢瘤的分期、良性子宫病变的诊断；对男性盆腔、前列腺肥大和癌的鉴别较超声和CT有一定优势。对膀胱癌和直肠癌的分期，MRI的作用与CT类似。