Ellentétben a kisméretű és gyakran viszonylag rögzített téralkatú molekulákkal, a peptidek és fehérjék háromdimenziós szerkezete sem a meghatározott molekulatömegből, sem a molekulákat felépítő fragmensek térszerkezetének ismeretéből nem következik. Az atomi szintű szerkezetmeghatározás tehát egy önálló és igen fontos feladat, amely történhet akár röntgen- vagy neutrondiffrakciós módszerrel, akár mágneses magrezonancia spektroszkópia segítségével. Bár a negyvenöt évvel ezelőtt, 1 Tesla térerőnél felvett egydimenziós spektrumokhoz képest a mai 800 MHz-es vagy még nagyobb készülékeken mért 1D spektrumok részletgazdagsága összehasonlíthatatlanul nagyobb, az áttörést mégsem kizárólag a térerő növelése jelentette, hanem a megfelelő méréstechnikák, pulzusszekvenciák céltudatos kifejlesztése, illetve azok alkalmazása. Egy-egy fehérje NMR-jeleinek azonosítása céljából az egyszerűbb 2D-homonukleáris mérésektől alig két évtized alatt eljutottunk a lényegesen összetettebb 3D- és 4D-heteronukleáris korrelációs pulzusszekvenciák alkalmazásáig. A nukleáris Overhauser effektus (röviden NOE) a szerkezetkutatók kezében alapvető eszközzé vált, mivel ennek segítségével az egymástól 3-6 angströmnél nem távolabbi spinek kölcsönösen azonosíthatók. Az NOE és más típusú kényszerfeltételek figyelembevételével, bonyolult iteratív eljárások segítségével juthatunk el a szerkezeti problémák megoldásához. Ma egy fehérje akár párszáz mikroliter, millimólos koncentrációjú oldatának NMR-spektroszkópiai analízisét követően képesek vagyunk meghatározni annak oldatbeli térszerkezetét, még ha az akár több ezer atomból épül is fel. Ugyanezzel a módszerrel információt gyűjthetünk a biológiai szempontból fontos molekulák belső mozgásairól, esetleges átrendeződéseiről, szupramolekuláris komplexeiről. Az NMR spektroszkópia fejlődésének köszönhetően a fiziológiás körülményeknek jobban megfelelő oldatfázisban is megoldhatóvá vált a fehérjék térszerkezetével kapcsolatos mérések egész sora.
