測定によって得られたピークの位置は、そのままの周波数の値で表すと磁場の強度に依存してしまうため、基準物質からの周波数差を磁場の強度で割った、化学シフト δ で表す（δ = (吸収のあった電磁波の周波数 − 基準物質の吸収周波数)/(磁場の強度) ）。化学シフトは普通数–数百ヘルツであるのに対し、一般的なNMR装置の磁場強度は数百メガヘルツなので、δの値はppmで表す。CW-NMRが良く使われていた時代の名残で、高周波数（δが大きい）側を低磁場、低周波数（δが小さい）側を高磁場と呼ぶ。また初期のNMRの文献では化学シフトτが使用されていることがある。τスケールの化学シフトはδスケールの化学シフトとτ=10-δの関係がある。基準物質としては¹Hや¹³Cではテトラメチルシラン (TMS) を用い、このシグナルを0 ppmとする。通常は内部標準として試料溶液に溶解するが、測定溶媒が重水などの時はTMSが溶解しないので外部標準とするか、別の物質が用いられる。また、¹Hでは溶媒中に含まれる未重水素化体、¹³Cでは溶媒自身ピークが基準に用いられることもある。化学シフトは測定する化合物の構造や電気的・物理的状況、溶媒などにより決まり、これらから得られる情報を利用して化合物の同定や構造の推定を行う。有機分子の部分構造と化学シフト値には相関があり構造の推定に利用できる。またデータ集やスペクトルデータベースも利用できる。
核磁気共鳴分光法から得られる主なシグナル情報には、化学シフト、強度（積分値）、緩和時間、スピン結合、核オーバーハウザー効果がある。これらのシグナル情報を解釈することにより分子構造や運動性に関する情報が得られる。
非常に不安定で室温では壊れてしまうような分子については、液体窒素などを用いてマイナス数十度以下の低温で溶液 NMR の測定を行う。また、常温では一瞬で進行してしまう反応を低温で観測することにより、律速段階や反応次数などを知ることが可能になる。さらに、通常の温度では単一の化合物と見なされる化合物であっても低温での観測により互変異性体であることが分かる場合もあり、分子の構造をより詳しく知ることができる。ただし、測定する温度領域で液体である溶媒を用いないと低温にしたときに試料が凍ってしまうので注意が必要である。さらに、固体NMRではさらに低い温度領域での測定も可能であり、極低温領域では磁気共鳴温度計としての利用も可能である。
通常のNMRスペクトルは、化学シフトや周波数のような1つのパラメーターを表す1次元座標軸上に信号の位置と強度が示されるが、2つのパラメーターで表された2次元座標面上に信号の位置と強度が示されるような測定方法を二次元NMRという。2つのパラメーターの組み合わせの実例には、同一核種の化学シフト同士、異なる核種の化学シフト同士、化学シフトとスピン結合定数、化学シフトと緩和時間、化学シフトと自己拡散係数など様々なものがある。具体的には「二次元NMR」の項目を参照のこと。また、項目「核磁気共鳴」の節「理論－二次元NMR」にも説明がある。2つ以上のパラメーターで表された多次元座標上の信号を観測できる方法は多次元NMRという。通常のNMRを二次元NMRや多次元NMRと区別したい場合に、一次元NMRと呼ぶこともある。
フーリエ変換（Fourier transform）NMR（FT-NMR）は現在主流の測定方法である。線形応答理論によればインパルス応答関数のフーリエ変換は周波数応答関数を与える。周波数応答関数はある周波数の電磁波が吸収される程度を表す関数であるから、これはNMRスペクトルに他ならない。それゆえにインパルス（パルス状の電磁波）を試料に当ててすべての核を一斉に励起し、その結果生じる磁化ベクトルの変化、すなわち自由誘導減衰 (FID) を測定し、これをフーリエ変換することで NMR スペクトルを得ることができる。パルス磁場によりFIDが誘起されることはNMRの初期から分かっていたが、複雑なFIDから周波数情報を取り出すフーリエ変換の良い方法がなかったために分光法として用いられるようになったのはかなり後になってからである。FT-NMRではすべての周波数を同時に観測することができるため、測定時間が大幅に短縮された。また高速フーリエ変換のアルゴリズムの開発およびコンピューターハードウェアの発達によりフーリエ変換の計算時間も短縮され、二次元NMR測定のような膨大なデータを処理する必要のある測定も実用的となった。なお、CW-NMRは照射された電磁波の正味の吸収を測定しているのに対し、FT-NMRでは電磁波によって生成したスピンのコヒーレンスに伴う磁化を測定している違いがある。FT-NMRではさまざまなコヒーレンスを選択的に生成することによって特定の情報のみを抽出する多くの測定法が開発された。
ジャポン王国最年少の人間戦車中隊隊長であり鉄ヘルマニアとして知られるアルタ・松雪代のもとへ、「ルル」というおかしな人間戦車が届けられた。同時に、アルタの従姉でもある国王・飯倉くららの補佐官であるはずの「めぐみん」こと山奈めぐみが、アルタの副官として着任した。翌日、大本営部隊からの技術者と合流すべく峰八幡基地近くへ出向いたアルタらは、基地が帝国軍の攻撃を受けるのを目撃する。戦力不足からひとまず待機を命じたアルタだったが、国王・くららが前線に居ることをめぐみんから聞くと、敵の罠にはまりつつある基地を救おうと手勢を率いて出撃し敵部隊の撃破に成功するが、なぜか王国軍の戦車に攻撃を受ける。すんでのところを救ったのは「えれ」と名乗る人間戦車で、幼い頃に密かに匿っていた帝国軍人間戦車の面影を彼女に見るアルタだったが、最後まで笑顔だった昔の「えれ」と違い、えれは無表情だった。技師でもあるえれによって人間戦車を迅速に補充されたアルタらの活躍もあって、王国軍は峰八幡基地を守りきった。アルタらと再会したくららは、実は敵の策略にはまったふりをしてアルタの参戦を誘い彼女の力量を確かめたことを明かし、一つの命令を与えた。それは、このところ帝国軍陣中に王国軍人間戦車が加担している謎を探り、敵に情報を漏らしている裏切り者を抹殺することだった。時は2月、ひと月で任務を果たすべくアルタに与えられた部隊は、「如月特務 松雪代中隊」と名づけられた。