L'irradiazione di un nucleo spin-attivo causa un aumento o una diminuzione dell'intensità del segnale dei nuclei vicini che non sono necessariamente legati chimicamente o coinvolti nell'accoppiamento J. Questo fenomeno, chiamato effetto nucleare Overhauser (NOE), deriva dalle interazioni nello spazio tra gli spin nucleari. L'effetto NOE diminuisce con l'aumentare della distanza internucleare e generalmente non si osserva oltre i 4 angstrom. Nel NOE, le interazioni dipolo-dipolo tra nuclei spin-attivi vicini determinano il trasferimento della polarizzazione dello spin nucleare. Queste interazioni possono causare un aumento o una diminuzione dell'intensità del segnale, che determina rispettivamente un NOE positivo o negativo.

Il NOE può essere applicato per migliorare l'intensità del segnale di nuclei meno sensibili come il carbonio-13. Gli spettri del carbonio-13 disaccoppiati dai protoni mostrano un effetto NOE positivo, in cui le intensità del segnale del carbonio sono sostanzialmente aumentate rispetto a quelle degli spettri accoppiati ai protoni.

L'irradiazione mirata di nuclei specifici può anche rivelare la prossimità attraverso lo spazio, il che aiuta a confermare la stereochimica e a verificare le assegnazioni dei picchi spettrali. L'effetto NOE viene applicato anche negli esperimenti 2D-NMR, come la spettroscopia a effetto nucleare Overhauser (NOESY), per determinare la struttura 3D delle proteine.