Die Bestrahlung eines Kerns mit Spin führt zu einer Erhöhung oder Verringerung der Signalintensität benachbarter Kerne, die nicht notwendigerweise chemisch gebunden oder an J-Kopplung beteiligt sind. Dieses Phänomen, das als Kern-Overhauser-Effekt (NOE) bezeichnet wird, resultiert aus Wechselwirkungen zwischen den Kernspins durch den Raum. Der NOE-Effekt nimmt mit zunehmendem Abstand zwischen den Kernen ab und wird im Allgemeinen nicht über 4 Angström hinaus beobachtet. Bei NOE führen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen benachbarten Kernen mit Spin zur Übertragung der Kernspinpolarisation. Diese Wechselwirkungen können eine Erhöhung oder Verringerung der Signalintensität verursachen, was jeweils zu einem positiven oder negativen NOE führt.

NOE kann angewendet werden, um die Signalintensität weniger empfindlicher Kerne wie Kohlenstoff-13 zu verbessern. Protonenentkoppelte Kohlenstoff-13-Spektren zeigen einen positiven NOE-Effekt, bei dem die Kohlenstoffsignalintensitäten im Vergleich zu denen in protonengekoppelten Spektren erheblich erhöht sind.

Durch gezielte Bestrahlung bestimmter Kerne kann auch die räumliche Nähe aufgedeckt werden, was dabei hilft, die Stereochemie zu bestätigen und die Zuordnung spektraler Peaks zu verifizieren. Der NOE-Effekt wird auch in 2D-NMR-Experimenten wie der Nuclear-Overhauser-Effekt-Spektroskopie (NOESY) angewendet, um die 3D-Struktur von Proteinen zu bestimmen.