El espectro de RMN 1D de moléculas largas y complejas, como los productos naturales, tiene patrones de división complicados y señales superpuestas, que se pueden interpretar fácilmente mediante RMN bidimensional (2D). A diferencia de la RMN 1D, la RMN 2D tiene dos ejes de frecuencia que proporcionan la información de acoplamiento entre el núcleo A y el núcleo B en una molécula. El proceso a partir del cual se obtienen los espectros 2D tiene cuatro pasos.

El primer paso es el período de preparación, durante el cual se excita el núcleo A con un pulso de radiofrecuencia. El segundo paso es el período de evolución o espera t1, que se incrementa sistemáticamente y no se observan datos durante este período. El siguiente paso es el período de mezcla, en el que se introduce un segundo pulso de radiofrecuencia, que transfiere la magnetización a los espines del núcleo B. En el último paso, se detecta la magnetización de los espines nucleares de B durante el tiempo de adquisición t2 para cada t1. Los dominios de tiempo t1 y t2 se transforman en Fourier en dominios de frecuencia f1 y f2, y estos corresponden a dos dimensiones de espectros 2D, mientras que la tercera dimensión es la intensidad. En experimentos 2D, el acoplamiento entre el mismo tipo de núcleo se denomina experimentos 2D homonucleares, mientras que el acoplamiento entre dos tipos de núcleo se denomina experimentos 2D heteronucleares. Los espectros 2D se pueden mostrar como gráficos apilados o de contorno. Cuando se presentan como gráficos apilados, los espectros 2D son difíciles de interpretar. El gráfico de contorno es la sección transversal horizontal de un gráfico apilado donde el tamaño de los círculos muestra la intensidad de la señal. Su interpretación es sencilla y se prefiere para el análisis de datos.