De bekendste doorbraak van het gebruik van kernspinresonantie lag op het gebied van de medische diagnose. Kernspinresonantie bleek zeer geschikt te zijn voor het meten van waterstofatomen die in koolstofverbindingen voorkomen. De eerste stappen van kernspintomografie (MRI) werden begin jaren zeventig onder andere door Paul Lauterbur gezet. Voor de toepassing van MRI in de medische wereld ontvingen Paul Lauterbur en Peter Mansfelt in 2003 de Nobelprijs voor de Fysiologie of Geneeskunde.

Voor medische diagnose gaat men in “Magnetic Resonance Imaging” gebruik maken van gradiënten in het veld B_0. In een verschillend magnetisch veld B₀ hebben spins dan ook, na neergeklapt te zijn geworden, een verschillende uitstralingsfrequentie en kan men ze lokaliseren in het lichaam en kan men te weten komen op welke plaats hoeveel waterstofkernen zitten. Een computer gaat dan een groot aantal metingen verwerken tot een 3-dimensionaal plaatje dat bijvoorbeeld het waterstofgehalte in verschillende plaatsen van de weefsels van de patiënt aangeeft.

Men kan ook plaatjes maken van andere weefseleigenschappen dan het waterstofgehalte, zoals de longitudinale relaxatietijd T1 of transversale relaxatietijd T2 . Op T1-gewogen opnamen geeft vetweefsel een hoog signaal. Bij een T2-opname geven vocht en vloeistoffen een hoog signaal. Men bereikt met moderne MRI-scanners gemakkelijk een oplossend vermogen van een tiende van een millimeter.

Hoewel de beelden van een MRI-onderzoek in eerste instantie lijken op die van een CT-scanner zijn er toch grote verschillen. Een CT-scanner meet absorptie van röntgenstraling, vooral het dichte calcium in botten valt daardoor sterk op. Een MRI-scanner meet het voorkomen van één element, vaak is dat waterstof. Een MRI-scanner stelt de patiënt niet bloot aan de ioniserende straling van CT-scanners.

Een traditionele MRI-scanner bestaat uit een beweegbare tafel waar de patiënt op plaatsneemt die nauwkeurig in een holle cilindrische magneet kan worden geschoven, waarvan het magneetveld (tussen 0,5 en 2 tesla sterk) wordt opgewekt door supergeleidende spoelen. Men vindt scanners van een groter aantal tesla maar enkel voor gebruik. in (medische) onderzoekscentra.
De spoelen worden door vloeibaar helium gekoeld en daardoor is de het apparaat ook zo duur. Onderzoek in de vastestoffysica heeft materialen opgeleverd die bij hogere temperaturen dan voor vloeibaar helium ook supergeleiding vertonen. Deze kunnen gekoeld worden met goedkopere, vloeibare stikstof.