Der Probenkopf  hat die Aufgabe, die Probe zu tragen, die die Probe anregenden HF-Signale abzustrahlen und die ausgesandte Antwort zu empfangen. Senden und Empfangen erfolgen mittels speziell dafür ausgelegter HF-Spulen .

Der Probenkopf wird an der Unterseite des Magneten eingeführt und sitzt innerhalb der Raumtemperatur-Shimspulen. Koaxialkabel übertragen die Anregungssignale von den Konsolenverstärkern zum Probenkopf und das NMR-Signal von der Probe zurück zum Empfänger. Die Kabel werden durch einen Vorverstärkersatz (HPPR) geleitet, der sich unmittelbar an der Basis des Magneten befindet bzw. bei NanoBay-Systemen in die Konsole integriert ist. Die  Vorverstärker sind für die Anhebung der üblicherweise sehr schwachen NMR-Signale unverzichtbar.

Probenköpfe stehen in verschiedenen Größen und Ausführungen zur Verfügung. Größenangaben richten sich bei Probenköpfen nach dem Durchmesser des für die Verwendung mit dem jeweiligen Probenkopf vorgesehenen Probenröhrchens, wobei 5 mm und 10 mm die bei weitem gängigsten Maße sind. Je nach Art des Experiments finden unterschiedliche Arten von Probenköpfen Anwendung.  Selektive  Probenköpfe sind auf die Beobachtung spezifischer Kerne wie 13C ausgelegt, während multinukleare Probenköpfe (X-BB- oder Breitband-Probenköpfe) für die Analyse einer Vielzahl von Kernen eingesetzt werden können. Die physikalischen Unterschiede zwischen verschiedenen Probenköpfen lassen sich auf die Anzahl und die Konstruktion der internen Spulen reduzieren. Zusätzlich richten sich Außendurchmesser und Länge des Probenkopfs nach den Spezifikationen des jeweiligen Magneten (weiter Probenschacht oder Standard-Probenschacht, unterschiedliche Distanz von der Unterseite des Magneten bis zum Zentrum des Magnetfelds bei Magneten unterschiedlicher Feldstärke).

An der Unterseite des Probenkopfs befindliche und eindeutig beschriftete Anschlüsse dienen zum Einleiten der Sendesignale in und dem Herausführen der Empfangssignale aus den Spulen des Probenkopfs. Die Signalübertragung zum und vom Probenkopf erfolgt unter Verwendung desselben Kabels. Jeder Probenkopf besitzt eine innere Spule (die „  Beobachtungsspule“). Zwecks Maximierung der Empfindlichkeit befindet sich diese Spule dem Probenvolumen am nächsten. Die Farbkodierung des BNC-Anschlusses für die innere Spule folgt einem einfachen Schema: Der Anschluss hat stets dieselbe Farbe wie der rechteckige Streifen unmittelbar oberhalb der BNC-Anschlüsse. Die folgende Abbildung zeigt die Beschriftung eines multinuklearen Probenkopfs. In diesem Fall ist die  Breitband-Spule  die innere Spule.