费利克斯·布洛赫（Felix Bloch）1905年10月23日出生于瑞士苏黎世，父母都是犹太人。
1890年，他的父亲古斯塔夫·布洛赫从位于现今捷克的摩拉维亚搬到苏黎世，成为瑞士公民。古斯塔夫因经济原因无法上大学，只能在苏黎世做谷物批发商。古斯塔夫的第一个孩子是一个女孩，出生于1902年，三年后菲利克斯出生。
布洛赫六岁时进入公立小学，据说他曾被人取笑，部分原因是他“讲瑞士德语时口音与班上大多数人不同”。在这段时间里，他大部分时间都得到姐姐的支持，但她在12岁时去世，这对菲利克斯来说是毁灭性的打击，据说他在随后的几年里过着“沮丧而孤立的生活”。
布洛赫八岁时学会了弹钢琴，并被算术的“清晰和美丽”所吸引。
布洛赫十二岁从小学毕业，并于1918年进入苏黎世州立文理中学就读。他在这里学习了六年制课程，为上大学做准备。
在文理中学学习了三年后，1921年15岁的布洛赫开始在苏黎世联邦理工学院（ETHZ）学习。虽然他最初学习的是工程学，但很快他改学物理。在此期间，他参加了苏黎世联邦理工学院的彼得·德拜和赫尔曼·外尔以及邻近的苏黎世大学的埃尔温·薛定谔的讲座和研讨会。这些研讨会上还有个同学是约翰·冯·诺依曼。
与此同时，布洛赫仍继续在文理中学学习数学和语言到1924年。
布洛赫于1927年从苏黎世联邦理工学院毕业，在德拜的鼓励下前往莱比锡跟随维尔纳·海森堡学习。布洛赫成为海森堡的第一位研究生，并于1928年获得博士学位。他的博士论文建立了固体的量子理论，用波来描述周期性晶格中的电子。这是固体能带理论的基础。
之后布洛赫留在了欧洲学术界，在苏黎世与沃尔夫冈·泡利合作研究超导性；在荷兰与Hans Kramers和Adriaan Fokker合作研究铁磁性；在海森堡那里他发展了磁畴边界的描述，现在被称为“布洛赫壁”（Bloch wall），并在理论上提出了自旋波的概念，即磁结构的激发；在哥本哈根与尼尔斯·玻尔合作，在理论上描述了带电粒子在物质中传播的能损；以及在罗马与恩里科·费米合作。
1932年，布洛赫回到莱比锡担任“编外讲师”。
1933年，希特勒上台后，因为是犹太人，布洛赫立即离开德国返回苏黎世，然后前往巴黎庞加莱研究所讲课。
1934年，斯坦福大学物理系主任邀请布洛赫加入该系。布洛赫接受了邀请，移民美国。
1938年秋，布洛赫开始利用在加州大学伯克利分校的37英寸回旋加速器测定中子的磁矩。
布洛赫成为了斯坦福大学第一位理论物理学教授。1939年，他加入美国国籍。
二战期间，布洛赫曾在洛斯阿拉莫斯实验室短暂参与原子弹项目。由于不喜欢实验室的军事氛围，对那里的理论工作也不感兴趣，布洛赫离开洛斯阿拉莫斯前往哈佛大学参与雷达项目。
1940年3月14日，布洛赫与从事X射线晶体学研究的物理学家Lore Clara Misch（1911-1996年）结婚，两人在美国物理学会会议上相识。他们育有四个孩子：双胞胎George Jacob Bloch和Daniel Arthur Bloch（1941年出生）、儿子Frank Samuel Bloch（1945年出生）和女儿Ruth Hedy Bloch（1949年出生）。
战后，他集中精力研究核感应和核磁共振，这是磁共振成像（MRI）的基本原理。
1946年，他提出了布洛赫方程，该方程确定了核磁化随时间的变化。
1948年，布洛赫当选为美国国家科学院院士。
1952年，布洛赫与爱德华·珀塞尔（Edward Purcell）一起因其在核磁感应方面的工作获得了诺贝尔物理学奖。
20世纪50年代初，欧洲核子研究中心（CERN）刚刚成立，创始人们正在寻找一位具有一定地位和国际声望的人来领导这个刚刚起步的国际实验室。1954年，布洛赫教授成为CERN的第一任所长。当时，作为实验室用地的Meyrin小镇（位于瑞士日内瓦与法国边境处）正在建设之中，首批机器的计划也正在制定中。
1955年，布洛赫离开CERN回到了斯坦福大学，并于1961年被任命为Max Stein物理学教授。
1964年，他当选为荷兰皇家艺术与科学学院外籍院士。他还是美国艺术与科学学院和美国哲学学会院士。
布洛赫于1983年在苏黎世去世。