Le temps de relaxation T₁ (appelé parfois longitudinal ou spin-réseau) caractérise le retour de la magnétisation M_z à sa valeur initiale. Cette relaxation est due aux interactions avec le milieu environnant les noyaux (quelquefois appelé réseau). Deux phénomènes physiques sont alors impliqués :

• - la perte de synchronisation entre les différents moments magnétiques d'un même noyau, qui augmente la composante sur z par simple symétrie;
• - le retour de spins de l'état excité vers l'état fondamental, qui augmente la différence de population entre les deux niveaux.

Le temps de relaxation T₂ (appelé transverse ou quelquefois spin-spin) caractérise le retour des magnétisations M_x' et M_y' à leur valeur initiale nulle. Ceci ne dépend que de la perte de synchronisation des spins par le retour à une distribution isotrope sur chaque tronc de cône. le nombre de moments à chaque état n'est pas modifié, les spins échangent leur énergie en perdant leur cohérence.

On comprend que T₂ soit inférieur ou égal à T₁.

On peut exprimer ceci d'une autre façon : le milieu extérieur fournit des champs magnétiques dont les composantes sont h_x', h_y'et h_z.

- La magnétisation M_x'  dont la relaxation est caractérisée par T₂ est influencée par h_y' et h_z;

- La magnétisation M_y'  dont la relaxation est caractérisée par T₂ est influencée par h_x' et h_z;

- La magnétisation M_z  dont la relaxation est caractérisée par T₁ est influencée par h_x' et h_y';

Donc, h_x' et h_y' influencent aussi bien T₁que T₂. Or, comme discuté à propos des mouvements de rotation, h_x' et h_y' n'auront des contributions notables que si la fréquence de leurs fluctuations (c'est à dire du mouvement des atomes qui les génère) est élevée (supérieure à 2p/w = 1/n où n est la fréquence de résonance de l'ordre de 100-800Mh_z). En conclusion, T₁ et T₂ diminuent quand le milieu est agité de mouvements rapides (milieu liquide).
Par contre h_z n'influence que T₂. Donc, des champs qui présentent des fluctuations lentes (puisque Oz est fixe) diminueront T₂ .
En conséquences T₂»T₁si le milieu est très mobile (liquide) et T₂<<T₁si les mouvements sont lents (milieu visqueux, grosses molécules). Comme T₂ est inversement proportionnel à la largeur des raies, on voit que les spectres de RMN de molécules qui bougent lentement (grosses protéines ou assemblages, milieu visqueux comme une membrane) sont difficilement observables, sauf à utiliser des techniques particulières (RMN à multiples noyaux, RMN avec rotation à l'angle magique...).
Par ailleurs T₁ diminue (relaxation plus efficace) quand le temps de corrélation des mouvements t_caugmente, tant que t_c <n₀(fréquence de résonance). Par contre, pour t_c<n₀ ,T₁ augmente quand t_c augmente. dans tous les cas T2 diminue (relaxation plus efficace quand le mouvement ralentit).