Entscheidend bei der MRT sind die allgegenwärtigen Wasserstoffatome (besser: Protonen), z. B. in Körperflüssigkeiten und in Fettgewebe. Durch das Magnetfeld – etwa 20.000 mal stärker als das Erdmagnetfeld – werden die magnetischen Eigenschaften der Protonen, die Spins, ausgerichtet.

Wird nun den Protonen zusätzliche Energie in Form eines Radioimpulses – typische Frequenzen liegen bei 50 MHz – zugeführt, kippen einige Spins in einen energiereicheren Zustand und kehren unter Energieabgabe rasch wieder in den Ursprungszustand zurück.

Das so erzeugte MR-Signal hängt von der chemischen Umgebung der Protonen ab (z. B. Fett, Muskel, Liquor, Blut) und kann vom Computer in Grauwertbilder umgesetzt werden. Dabei wird die untersuchte Körperregion in schmale Schichten „zerlegt“ und einzelne winzige Volumenelemente gemessen, denen dann jeweils ein Grauwert zugeordnet wird.

Um eine exakte räumliche Zuordnung eines Signals zu erhalten, werden zusätzliche Magnetfeldgradienten in den drei Raumrichtungen angelegt. Durch geschickte Filterung der MR-Signale und durch verschiedene Techniken für Magnetfeld und Radiopuls lassen sich unterschiedliche Gewebearten extrem detailreich darstellen.