Das 1D-NMR-Spektrum großer und komplexer Moleküle wie Naturprodukte weist komplizierte Aufspaltungsmuster und überlappende Signale auf, die mithilfe von 2-dimensionaler (2D) NMR leicht interpretiert werden können. Im Gegensatz zur 1D-NMR verfügt die 2D-NMR über zwei Frequenzachsen, die die Kopplungsinformationen zwischen Kern A und Kern B in einem Molekül liefern. Der Prozess, aus dem 2D-Spektren gewonnen werden, besteht aus vier Schritten.

Der erste Schritt ist die Vorbereitungsphase, während der Kern A mit einem Hochfrequenzimpuls angeregt wird. Der zweite Schritt ist die Evolutions- oder Warteperiode t_1, die systematisch erhöht wird, und während dieser Periode werden keine Daten beobachtet. Der nächste Schritt ist die Mischperiode, in der ein zweiter Hochfrequenzimpuls eingeführt wird, der die Magnetisierung auf die Spins von Kern B überträgt. Im letzten Schritt wird die Magnetisierung der Kernspins von B während der Erfassungszeit t_2 für jedes t_1 erfasst. Die Zeitbereiche t_1 und t_2 werden per Fourier-Transformation in die Frequenzbereiche f_1 und f_2 transformiert, und diese entsprechen zwei Dimensionen von 2D-Spektren, während die dritte Dimension die Intensität ist. Bei 2D-Experimenten wird die Kopplung zwischen Kernen derselben Art als homonukleares 2D-Experiment bezeichnet, während die Kopplung zwischen zwei Kernarten als heteronukleares 2D-Experiment bezeichnet wird. 2D-Spektren können als gestapelte oder Konturdiagramme dargestellt werden. In gestapelten Diagrammen sind 2D-Spektren schwer zu interpretieren. Das Konturdiagramm ist der horizontale Querschnitt eines gestapelten Diagramms, bei dem die Größe der Kreise die Signalintensität zeigt. Seine Interpretation ist unkompliziert und wird für die Datenanalyse bevorzugt.