La sonda  (o probe) ha lo scopo di tenere il campione, di trasmettere i segnali di radiofrequenza che eccitano il campione e di ricevere la risposta emessa. La trasmissione e la ricezione si ottengono usando bobine RF appositamente progettate .

La sonda viene inserita alla base del magnete e si trova all'interno delle bobine di shim a temperatura ambiente. I cavi coassiali trasmettono i segnali di eccitazione dagli amplificatori della console alla sonda ed il segnale NMR di ritorno dal campione al ricevitore. I cavi vengono distribuiti mediante un set di preamplificatori (l'HPPR), situati vicino alla base del magnete o su sistemi NanoBay montati sulla console. I  preamplificatori sono necessari per amplificare i segnali NMR, tipicamente molto deboli.

Le sonde possono essere di diversi tipi e dimensioni. Le dimensioni della sonda dipendono dalle dimensioni dei tubi del campione che contengono; i più comuni sono tubi del diametro di 5 mm e 10 mm. Vengono inoltre usati tipi diversi di sonde, in base al tipo di esperimento.  Le sonde  selettive sono appositamente progettate per osservare nuclei specifici, ad esempio 13C, mentre le sonde multinucleari (X-BB o a banda larga) possono essere usate per analizzare un'ampia gamma di nuclei. Il numero e il design delle bobine interne sono ciò che distingue i diversi tipi di sonde. Inoltre, il diametro esterno e la lunghezza della sonda sono conformi alle specifiche dei diversi magneti (con cavità ampia o standard; lunghezza diversa dalla base al centro del campo magnetico per magneti con intensità diversa).

I segnali entrano ed escono dalle bobine della sonda mediante connettori chiaramente etichettati e situati alla base della sonda. Per trasmettere il segnale da e verso la sonda viene usato lo stesso cavo. Ciascuna sonda è munita di bobina interna (la  bobina di  osservazione). Questa bobina è situata il più vicino possibile al volume del campione per potenziarne al massimo la sensibilità. Il codice cromatico della bobina interna BNC segue una regola semplice. Esso ha sempre lo stesso colore della striscia rettangolare situata direttamente al di sopra dei connettori BNC. La figura sottostante illustra l'etichettatura di una sonda multinucleare. In questo caso la  bobina a  banda larga è la bobina interna.