有机化合物结构解析：确定分子中氢、碳等原子的化学环境，解析复杂分子（如天然产物、药物分子）的三维结构。

反应机理研究：追踪化学反应的动态过程，例如中间体的检测及反应路径分析。

药物设计与优化：验证药物与靶点蛋白的相互作用，指导药物分子改造（如基于片段的药物设计）。

NMR在药物发现阶段的作用

基于片段的筛选（FBS）方法是发现苗头化合物的重要手段之一。NMR技术能够探知小分子与生物大分子靶标的较弱相互作用，并且能够提供基于不同核素如¹H或¹⁹F的筛选技术，已成为FBS的重要手段之一，也始终伴随于先导化合物的发现和优化过程。利用NMR技术既能以配体作为检测目标，也能以生物大分子靶标为检测目标，具有高度灵活性。

NMR在药物结构确证与含量测定中的应用

NMR谱图包含了化合物基团类型、相互连接关系、以及各类核的个数等丰富的结构信息，是化合物结构确证中最重要的技术手段之一。NMR可用于对药物分子合成过程的监控，也可用于原料药即活性药物成分（API）、相关杂质、降解产物和辅料的结构表征及含量测定。各种选择性实验方法还能够直接分析API中杂质的成分。除了传统的1H谱和¹³C谱外，¹⁹F谱和³¹P谱对于含氟及含磷的药物能够提供清晰的结构信息。NMR方法还可以研究药物制剂这样的复杂体系中的各种成分的结构与含量。

NMR在生物药高级结构比对研究中的应用

与小分子药物不同，生物药的高级结构（HOS）是其关键质量属性(CQA)之一，其变化对药物的稳定性、有效性、安全性以及免疫原性都会产生至关重要的影响。NMR作为研究生物大分子溶液结构的技术之一，同样可以在生物药的高级结构比对研究中发挥重要作用。NMR技术能够得到原子分辨率的信息，对于环境及结构的改变也非常灵敏，因而是目前企业和监管部门都比较看好的HOS评价工具之一，且有可能作为质量控制工具之一。