Napromieniowanie jądra spinowo-aktywnego powoduje wzrost lub spadek intensywności sygnału sąsiednich jąder, które niekoniecznie są chemicznie związane lub uczestniczą w sprzężeniu J. Zjawisko to, zwane wzmocnieniem Overhausera jądrowego (NOE), wynika z oddziaływań w przestrzeni między spinami jądrowymi. Efekt NOE maleje wraz ze wzrostem odległości międzyjądrowej i na ogół nie jest obserwowany powyżej 4 angstremów. W NOE oddziaływania dipol-dipol między sąsiednimi jądrami spinowo-aktywnymi powodują przeniesienie polaryzacji spinu jądrowego. Oddziaływania te mogą powodować wzrost lub spadek intensywności sygnału, co skutkuje odpowiednio dodatnim lub ujemnym NOE.

NOE można stosować w celu poprawy intensywności sygnału mniej wrażliwych jąder, takich jak węgiel-13. Widma węgla-13 odsprzężone od protonów wykazują pozytywny efekt NOE, gdzie intensywności sygnałów węgla są znacznie zwiększone w porównaniu do intensywności w spektrach sprzężonych z protonami.

Celowane napromieniowanie określonych jąder może również ujawnić bliskość przez przestrzeń, co pomaga potwierdzić stereochemię i zweryfikować przypisania pików widmowych. Efekt NOE jest również stosowany w eksperymentach 2D NMR, takich jak Spektroskopia Efektu Overhausera Jądrowego (NOESY), w celu określenia trójwymiarowej struktury białek.