La sonde  est conçue pour accueillir l'échantillon, émettre les signaux radiofréquence qui excitent les noyaux et réceptionner le courant induit. L'émission et la réception s'effectuent par le biais de bobines RF spécialement conçues à cet effet .

La sonde est introduite dans l'aimant par sa partie inférieure et se loge ensuite dans le tube contenant les bobines de compensation d'inhomogénéité. Les câbles coaxiaux transportent les signaux d'excitation en provenance des amplificateurs de la console vers la sonde et transmettent le signal de RMN de l'échantillon au récepteur. Les câbles traversent un ensemble de préamplificateurs (HPPR) situés au pied de l'aimant ou intégrés à la console dans le cas des systèmes NanoBay. Les  préamplificateurs servent à amplifier les signaux de RMN qui sont typiquement de très faible intensité.

Les sondes sont déclinées en différents diamètres et différents types. Le diamètre de la sonde correspond au diamètre maximum du tube contenant l'échantillon qu'elle peut accueillir, les diamètres les plus courants étant de 5 mm et 10 mm. Selon le type d'expérience à réaliser, on utilisera différents types de sondes. Les  sondes  sélectives ont conçues pour l'observation de noyaux spécifiques, par ex. ¹³C, tandis que les sondes multinucléaires (X­BB ou large bande) peuvent être utilisées pour analyser une large gamme de noyaux. Le nombre et la conception des bobines permettent de distinguer physiquement un type de sonde d'un autre. Par ailleurs, le diamètre extérieur et la longueur de la sonde sont conçus conformément aux spécifications des différents aimants (canal large ou canal standard ; longueur différente du bas au centre du champ magnétique pour les aimants présentant une intensité de champ différente).

Les signaux RF parviennent aux bobines par des connecteurs clairement étiquetés, situés à la base de la sonde. Le même câble est utilisé pour transporter le signal vers la sonde et depuis la sonde. Chaque sonde possède une bobine interne (dite  bobine d'observation ). Cette bobine est située à proximité directe de l'échantillon afin de maximiser la sensibilité. Le code couleur du connecteur BNC de la bobine interne obéit à une règle très simple : il a toujours la même couleur que la bandelette rectangulaire placée directement au-­dessus des connecteurs BNC. La figure suivante illustre l'étiquetage d'une sonde multinucléaire. Dans ce cas-­ci, la  bobine  large bande est la bobine interne.