ספקטרום 1D NMR של מולקולות גדולות ומורכבות כמו חומרים טבעיים מציג דפוסי פיצול מסובכים ואותות חופפים, שניתן לפרש בקלות בעזרת תהודה מגנטית גרעינית דו-ממדית (2D NMR). בניגוד ל-1D NMR, ל-2D NMR יש שני צירי תדר המספקים מידע על הצימוד בין הגרעינים A ו-B במולקולה. התהליך להפקת ספקטרום 2D מורכב מארבעה שלבים.

השלב הראשון הוא שלב ההכנה, שבמהלכו הגרעין A מעורר על ידי פולס בתדר רדיו. השלב השני הוא שלב ההתפתחות או תקופת ההמתנה t_1, שמוגדרת באופן שיטתי, ואין תצפית של נתונים בשלב זה. השלב הבא הוא שלב הערבוב, שבו מוחדר פולס שני בתדר רדיו, המעביר את המגנטיזציה לספינים של הגרעין B. בשלב האחרון, מגנטיזציית ספינים גרעיניים של B נמדדת בזמן הרכישה t_2 עבור כל t_1. תחומי הזמן t_1 ו- t_2 עוברים התמרת פורייה לתחומי התדר f_1 ו- f_2, והם מייצגים את שני הממדים של ספקטרום 2D, בעוד שהממד השלישי הוא העוצמה. בניסויים דו-ממדיים, צימוד בין אותו סוג של גרעין נקרא ניסויים דו-ממדיים הומוגניים, בעוד שצימוד בין שני סוגי גרעינים נקרא ניסויים דו-ממדיים הטרוגניים. ספקטרום 2D ניתן להציג כגרפים מוערמים או כגרפי קונטור (או: מִתְאָר). כאשר מוצגים כגרפים מוערמים, ספקטרום 2D קשה יותר לפענוח. גרף קונטור הוא חתך אופקי של גרף מוערם, שבו גודל המעגלים מייצג את עוצמת האות. פענוחו פשוט יותר והוא מועדף לצורך ניתוח נתונים.