Er studierte in seiner Heimatstadt Zürich Physik. 1926 veranlaßte ein Vortrag Schrödingers über seine Wellenmechanik Bloch, sich der theoretischen Physik zuzuwenden. Er ging 1927 nach Leipzig, wurde Heisenbergs erster Doktorand und legte in seiner 1928 erschienenen Doktorarbeit die Grundlagen der Quantentheorie der elektrischen Leitfähigkeit, heute Voraussetzung auch der technischen Konsequenzen in der Halbleiterphysik. 1930-1933 war er Heisenbergs Assistent. 1933 verließ er Deutschland, wie so viele der besten Wissenschaftler, und seit 1934 lebte er in den Vereinigten Staaten an der Stanford University, mit Unterbrechung eines Jahres, 1954, als erster Generaldirektor des Laboratoriums CERN in Genf. Seine klassischen Arbeiten, nunmehr experimentell, betrafen seit 1939 die magnetischen Momente der Atomkerne, für sie erhielt er den Nobelpreis. Schon im Ruhestand, ist er bei einem Besuch in seiner Heimatstadt Zürich gestorben.

Bloch war nur vier Jahre jünger als Heisenberg, aber damit einer der ersten jener "neuen Generation" von Physikern, die in die neu gefundene Quantenmechanik eintraten und ihre reichen, ja universalen Anwendungen erforschten. Er war zugleich einer der wenigen, die noch Theorie und Experiment gleichermaßen beherrschten. Ein lebendiger Mitmensch mit dezidierten Ansichten, ein Sportsmann und Gesprächspartner. 

1952 Nobelpreis für Physik.