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원자핵의 자기장을 측정하는 핵유도(핵자기공명) 방법을 개발하여 1952년 E. M. 퍼셀과 함께 노벨 물리학상을 받았다.

그는 1928년 라이프치히대학교에서 박사학위 논문에 고체 양자이론을 발표했는데, 그 이론은 아직까지도 전기전도를 이해하는 데 기초가 되고 있다. 1933년까지 라이프치히대학교에서 가르치다가 히틀러가 권력을 잡자, 미국으로 이민 가서 1939년 귀화했다.

1934년 캘리포니아 스탠퍼드대학교 교수진에 합류한 후, 중성자 빔을 자기장 안에서 중성자의 2가지 방향에 해당하는 두 성분으로 분리시키는 방법을 제안했다. 1939년 루이스 앨버레즈(1968년 노벨 물리학상 수상)와 함께 이 방법을 써서 중성자의 자기 모멘트(그 자기장의 특성)를 측정했다. 제2차 세계대전중에는 뉴멕시코 로스 알라모스에서 원자 에너지에 대해, 하버드대학교에서 레이더 대응책에 대해 연구했다.

1945년 스탠퍼드대학교로 돌아가 물리학자 W. W. 핸슨, M. E. 패커드와 함께 핵자기장과 결정체, 여러 가지 물질의 자기적 성질간의 관계 확립에 도움이 될 핵유도 원리를 개발하기 위한 연구를 했다. 핵유도는 나중에 분자의 조성과 구조를 결정하는 데 유용하게 사용되었다. 핵자기공명 기법은 의학에서의 진단방법으로서 점점 더 중요시되었다.

블로흐는 1954~55년 유럽 공동 핵 위원회(European Commission for Nuclear Research)의 초대 의장을 지냈으며 1971년에는 스탠퍼드대학교 명예교수가 되었다.