Ф. Блох родился в Цюрихе (Швейцария). Высшее образование получил в высшей технической школе Цюриха. Поступал на инженерное отделение, но вскоре перешел на физическое. Получив диплом в 1927 г. он продолжил обучение в Лейпцигском университете, получив докторскую степень (эквивалентна кандидату физ.-мат. наук) в 1928 г. Затем он продолжил заниматься наукой в Германии, вместе с Гейзенбергом, Паули, Бором и Ферми. В 1933 г. он покинул Германию, эмигрировав в США чтобы начать в 1934 г. работу в Стэнфордском университете. В 1939 г. он стал натурализованным гражданином США. Во время второй мировой войны он работал над атомным проектом в национальной лаборатории Лос-Аламоса, но впоследствии перешел в радарный проект в Гарвардском университете. После войны он сконцентрировался над работами в области ядерной индукции и ядерного магнитного резонанса — основополагающими принципами ядерной магнитной томографии. В 1952 г совместно с Э. М. Пёрселлом он был удостоен Нобелевской премии по физике «за развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия». В 1954—1955 годах он был первым генеральным директором ЦЕРНа. В 1961 г. он стал профессором физики в Стэнфордском университете.
Его именем названы следующие физические понятия: