Феликс Блох родился 23 октября 1905 года в Цюрихе. Получил высшее образование в Высшей технической школе Цюриха. В 1927 году, получив диплом, поступил в Лейпцигский университет, где получил докторскую степень.
В 1933 году эмигрировал в США, где начал работу в Стэнфордском университете. Во время второй мировой войны Блох работал над атомным проектом в национальной лаборатории Лос-Аламоса, несколько позже перешел в радарный проект в Гарвардском университете.
После войны Блох работал в области ядерной индукции и ядерного магнитного резонанса – основополагающими принципами ядерной магнитной томографии.
В 1952 году совместно с Э.М. Перселлом Блох был удостоен Нобелевской премии по физике «за развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия».
В 1954–1955 годах Феликс Блох был первым генеральным директором ЦЕРНа (Европейский Центр ядерных исследований). В 1961 году стал профессором физики в Стэнфордском университете.
Феликс Блох скончался 10 сентября 1983 года в Цюрихе на 78-м году жизни. Его именем названы следующие физические понятия: формула Бете — Блоха, уравнения Блоха, стенки Блоха, функция Блоха, Блоховская волна.