Fils de Gustav Bloch et Agnes Bloch (née Mayer), il projetait à l'origine de devenir ingénieur : c'est ainsi qu'il est entré directement à l'Institut fédéral de la technologie (Eidgenössische Technische Hochschule) à Zurich. Un an plus tard, il se réoriente vers la physique, tout en restant dans le même établissement. Il suit des cours donnés par Debye, Scherrer, Weyl ou encore Schrödinger et s'intéresse dès lors à la physique théorique. Il continue ses études à l'université de Leipzig, où il obtient son doctorat de philosophie à l'été 1928, grâce à une dissertation traitant des mécanismes de quantum des électrons dans les cristaux et développant la théorie de conduction métallique. Il a eu l'occasion de travailler avec Pauli, Kramers, Heisenberg, Bohr et Fermi. Bloch quitte l'Allemagne au printemps de 1933, fuyant le régime hitlérien. Il accepte un poste à l'université de Stanford un an plus tard. Là-bas, il peut se consacrer plus sérieusement à ses projets de physique expérimentale. Pendant la guerre, Bloch a participé aux premières parties du travail sur l'énergie atomique. En 1961, il obtient une chaire à l'université de Stanford.

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