Метод ЯМР широко применяется для исследования структуры органических соединений наряду с методами оптической спектроскопии. Поглощение энергии радиочастотного излучения, которое используется в этом методе, связано с магнитными свойствами ядер.

Для получения спектров ЯМР образец помещают в сильное однородное магнитное поле и действуют на него радиочастотным излучением. Изменяя частоту генератора, возбуждающего магнитое поле, перпендикулярное к постоянному полю магнита, достигают условия резонансного поглощения энергии. Резонансная частота зависит от напряженности постоянного магнитного поля и значения магнитного момента ядер. Наиболее широко в исследованиях органических соединений, в том числе нефти, применяется протонный магнитный резонанс (ПМР).
Спектры ПМР характеризуются значениями химических сдвигов протона. Химическим сдвигом называется расстояние между резонансными сигналами протонов образца и стандарта — тетраметилсилана. Это расстояние зависит от напряженности магнитного поля (или частоты), поэтому химический сдвиг измеряется в относительных единицах — миллионных долях (м. д.) поля или резонансной частоты. Химический сдвиг зависит от структуры молекул — электронной плотности у протона и напряженности вторичных магнитных полей, возникающих вследствие движения электронов соседних атомов.
По мере усовершенствования техники метода ЯМР и увеличения рабочей частоты спектрометров до 100—220 МГц повышается селективность определения протонов в различных структурах. Метод ПМР дает информацию о распределении водорода, связанного с ароматическими циклами, гетероатомами, а также входящего в состав метильных, метиленовых и метановых групп. Особый интерес представляет применение метода ЯМР для исследования высококипящих нефтяных фракций.
Типичный спектр Н ЯМР нефтяной фракции может быть разделен на четыре области. Область А (6,5—8,5 м. д.) соответствует сигналам ароматических протонов; область ор (1,8—4,0 м. д.)—протонов СН-, СН2-, СНз-групп, находящихся в а-положении к ароматическим ядрам; область Р (1,0— 1,8 м. д.)—метиленовых и метиновых протонов, удаленных от ароматических ядер, а также групп СН3 в Р-положении к ароматическим ядрам; область у (0,7—1,0 м. д.) — протонов метильных групп, более удаленных от ароматических ядер. Площади областей пропорциональны количеству протонов, дающих эти сигналы.
Если известна средняя эмпирическая формула, рассчитываемая по элементному составу и средней молекулярной массе фракции, то можно распределить атомы водорода по структурным группам. Спектроскопия 'Н ЯМР позволяет получать большое количество структурно-групповых характеристик «средней молекулы». Недостаток метода состоит в том, что особенности строения углеродных скелетов приходится рассчитывать по распределению водорода, вводя ряд допущений и приближений.
Единственный метод, позволяющий непосредственно измерить долю ароматического углерода — 13С ЯМР-спектроскопия. Типичный спектр 13С ЯМР нефтяной фракции содержит широкие полосы поглощения атомов углерода в насыщенных (0—70 м. д.) и ароматических (100—170 м. д.) структурах. Проинтегрировав спектр, рассчитывают фактор ароматичности:
где а, нас — интегральные интенсивности пиков, относящихся к ароматическим и насыщенным структурам соответственно.
По отношению интегральных ингенсивностей пиков частот 29,7 и 14,1 м. д. можно рассчитать длину цепи алкильного заместителя.

Аналитические возможности метода ЯМР постоянно увеличиваются благодаря совершенствованию спектрометров и разработке новых методов получения спектров ЯМР.
Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) открыт в 1944 г. Е. К. Завойским. Парамагнетизмом обладают системы, на электронных оболочках которых имеются неспаренные электроны. К таким системам относятся свободные радикалы, парамагнитные ионы, внедренные в кристаллическую решетку или в молекулы комплексных соединений, и т. д.  Как оказалось, парамагнетизмом обладают и нефти, благодаря входящим в них смолисто-асфальтеновым компонентам.
ЭПР-спектр снимают, воздействуя на образец, помещенный в сильное магнитное поле, сверхвысокочастотным полем генератора. ЭПР-спектр представляет собой одиночный сигнал, интерпретация которого сводится к расчету числа парамагнитных центров Nx в образце путем сравнения производной кривой поглощения образца и эталона. Эталон— сахарный уголь — имеет стабильное значение числа парамагнитных центров {N3T = 0,1 • 1017 на 1 г).
ЭПР-спектры нефтей позволяют провести сопоставительный анализ степени их обогащенности смолисто-асфальтеновыми компонентами. Ширина ЭПР-сигнала отражает степень уплотнения структуры асфальтенов: чем она выше; тем меньше ширина сигнала.