Der menschliche Organismus besteht zu etwa 70% aus Wasser (chemische Formel: H₂O), d. h. aus einer Verbindung von Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O). Wasserstoff ist somit das vorherrschende Element im Körper. Je lockerer ein Gewebe ist, desto mehr Wasser bzw. Wasserstoff enthält es. Die Kernspintomografie macht sich diese unterschiedliche Verteilung des Wasserstoffs im Körper zu Nutze. Sie arbeitet mit einem starken Magnetfeld und mit Radiowellen, welche die positiv geladenen Kerne der Wasserstoffatome (H⁺ = Protonen) beeinflussen. Die Protonen verhalten sich in einem starken Magnetfeld wie eine Kompassnadel: Sie orientieren sich alle in eine Richtung. Richtet man dann Radiowellen unterschiedlicher Frequenz auf die Protonen, nehmen diese die Energie einer bestimmten Frequenz (Anregungsimpuls) auf und werden dadurch leicht von ihrer Ausrichtung abgelenkt. Ähnlich kleiner Kreisel beginnen sich die Minimagnete um ihre ursprüngliche Achse zu drehen (Spin). Schaltet man nun die Radiowellen wieder aus, kehren die Protonen in ihre ursprüngliche Position zurück. Sie geben dabei die aufgenommene Energie in Form abgeschwächter Radiowellen wieder ab. Diese Signale werden über hochempfindliche Antennen (so genannte Scanner) des MRT-Gerätes gemessen und durch ein computergestütztes Rechenverfahren in Schnittbilder durch den Körper umgesetzt. Die Methode funktioniert, weil die Gewebearten unterschiedliche Protonendichten aufweisen und weil die gemessenen Signale nicht zeitgleich eintreffen. Denn die Protonen drehen verschieden schnell in ihre Ausgangsposition zurück, abhängig von der Gewebeumgebung bzw. der chemischen Bindung im Körper werden sie unterschiedlich stark festgehalten. So strahlen Protonen in Tumorgewebe später Energie ab als in Fettgewebe aber früher als in Muskelgewebe und Knochen, was sich in zeitabhängigen Aufnahmen in unterschiedlichen Helligkeitsabstufungen zeigt.

Damit der Körper Schicht für Schicht (tomo = griechisch: Schicht) untersucht werden kann, wird das Magnetfeld nicht überall gleich stark angelegt. Es wird während der Untersuchung derart variiert (Gradientenfeld), dass immer nur Wasserstoffatome in einem bestimmten Bereich des Körpers durch den Anregungsimpuls abgelenkt werden und dann deren Antwort gemessen wird. Zwei weitere, auf anderen Ebenen angelegte Gradientenfelder sorgen dafür, dass die Signale später zu einem dreidimensionalen Bild zusammengesetzt werden können.