A klinikai vizsgálatoknál a hidrogén atommagoknak (protonoknak) azt a tulajdonságát használják ki, hogy mágneses dipólusként - mikroszkopikus "iránytűként" - viselkednek.

Az ábrán jól látható, hogy mágneses tér nélkül a mágneses dipólusok rendezetlenek, erős mágneses tér hatására pedig a dipólusok rendezettséget mutatnak.

Az MRI -nél a rendezett proton-dipólusoknak nagyfrekvenciás rádióhullámokkal történt besugárzással lehet energiát adni. Ez kilendíti őket, s ezzel megzavarja az egyensúlyi állapotot. A besugárzás kikapcsolása után megfigyelik, illetve rögzítik azokat az elektromágneses hullámokat, amelyeket a megzavart magok egyensúlyi (alap) állapotukba való visszatérésük során bocsátanak ki. Ezt a jelet az MRI tomográf vevő része detektálja, észleli. Ez a jel információt hordoz arról a biológiai mintáról, amelynek protonjai a jelet kibocsátották. Ezt az információt továbbítják a számítógép felé digitális formában. A számítógép elraktározza a test különböző kis térrészeiről (voxel) érkezett jeleket és végül képpé állítja össze.

A térrészek kiválasztását az teszi lehetővé, hogy a mágnesesen rendezett protonokat csak egy meghatározott frekvenciájú rádióhullámmal lehet kilendíteni az egyensúlyi állapotukból. (Ezt nevezik mag mágneses rezonanciának). Ez a "rezonancia-frekvencia" függ a mágneses tér erősségétől. A szervezet belsejéről készített rétegfelvételekhez tehát az is szükséges, hogy úgy változtassák a külső mágneses tér erősségét, hogy helyről helyre más legyen. Így egy adott frekvenciával történő besugárzásnál csak egy meghatározott területről érkezik jel. Ahogy a mágneses tér szerkezetét változtatjuk, a test más és más helyéről kapunk jelet, s így végül az egész érdekes testrészt végig lehet szkennelni, akár három dimenzióban is.

Az MRI készülék felbontóképessége, és az általa alkotott kép igen széles határok között változik és a test szöveteinek érzékeny, finom változásait is képes megjeleníteni. Kontrasztanyagok hozzáadásával (pl. gadolínium) a kép minőségét tovább lehet növelni.