Έρευνα για τη Θεωρία των Μετάλλων και των Συλλογικών Φαινομένων. Ο Felix Bloch πρότεινε μια ικανοποιητική θεωρία ηλεκτρονίων της αγωγιμότητας με βάση την κβαντομηχανική στη διδακτορική του διατριβή,  “Über die Quantenmechanik der Elektronen in Kristallgittern’’  (Η κβαντική μηχανική των ηλεκτρονίων στα κρυσταλλικά πλέγματα), η οποία δημοσιεύτηκε στο Zeitschrift für Physik ( 1928). Τα ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο θεωρήθηκαν ότι ήταν αποσυνδεμένα, αν και το πεδίο στο οποίο μετακινήθηκε οποιοδήποτε ηλεκτρόνιο βρέθηκε από μια κατά μέσο όρο διαδικασία σε σχέση με τα άλλα ηλεκτρόνια.  Εάν το μέταλλο ήταν στο απόλυτο μηδέν, το πλέγμα του καθόριζε ένα περιοδικό δυναμικό πεδίο για τις ηλεκτρονικές κινήσεις και η ηλεκτρική αντίσταση από το ακίνητο πλέγμα ήταν μηδέν. Ένα ηλεκτρόνιο θα μπορούσε να κινηθεί ελεύθερα μέσα σ’ έναν τέλειο κρύσταλλο και μια πεπερασμένη ελεύθερη διαδρομή θα μπορούσε να οφείλεται μόνο στις ατέλειες στο πλέγμα. Σε γενικές γραμμές οι ατέλειες προκλήθηκαν κυρίως από τη θερμική κίνηση των ατόμων και ήταν έντονα εξαρτώμενες από τη θερμοκρασία, αυξάνοντας με την αύξηση της θερμοκρασίας.  Οι προσμείξεις, ωστόσο, σκόρπισαν επίσης τα ηλεκτρόνια, αλλά σε αυτή την περίπτωση η ελεύθερη διαδρομή δεν θα διαφέρει αισθητά με τη θερμοκρασία. Η αντίσταση, συνεπώς, αποτελούνταν από την "αντίσταση προσμείξεων" και την αντίσταση λόγω της θερμικής κίνησης των ατόμων. Σύμφωνα με την ανάλυση του Bloch σχετικά με την κίνηση ενός ηλεκτρονίου σε ένα τέλειο πλέγμα, όλα τα ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο θα μπορούσαν να θεωρηθούν «ελεύθερα», αλλά δεν σημαίνει απαραίτητα ότι ήταν όλα ηλεκτρόνια αγωγιμότητας. Αυτή η θεωρία ταίριαζε για μέταλλα, ημιαγωγούς, και μονωτές, αλλά όχι για υπεραγωγούς. 

Φυσική του Νετρονίου. Τον Μάρτιο του 1933, με τους Ναζί να βρίσκονται ήδη στην εξουσία, ο Μπλοχ έφυγε από τη Γερμανία αποκτώντας την υποτροφία Ροκφέλερ. Σχεδίαζε να ξεκινήσει να δουλεύει το φθινόπωρο με την ομάδα του Fermi στη Ρώμη. Στο μεταξύ ταξίδεψε στο Παρίσι, την Ουτρέχτη και την Κοπεγχάγη, και λίγο πριν πάει στη Ρώμη, επικοινώνησε μαζί του από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ για να του προσφερθεί μια θέση εκεί. Ανέλαβε τη θέση του αναπληρωτή καθηγητή τον Απρίλιο του 1934. Ενώ ήταν στο Στάνφορντ, είχε την ευκαιρία να οργανώσει σεμινάρια θεωρητικής φυσικής, από κοινού με τον Robert Oppenheimer, ο οποίος ήταν στο Μπέρκλεϊ. Το καλοκαίρι του 1935, συνδύασε ένα ταξίδι που έκανε στην Ελβετία με ένα ταξίδι στην Κοπεγχάγη. Ο Bohr πίστευε ότι η εμπειρία του Bloch με προβλήματα σιδηρομαγνητισμού θα ήταν χρήσιμη για τη σκέψη της φυσικής του νετρονίου που ανακαλύφθηκε πρόσφατα. Δεδομένου ότι η μαγνητική ροπή των νετρονίων είχε ήδη ανακαλυφθεί, ο Bloch άρχισε να εξετάζει τις δυνατότητες των πολωμένων νετρονίων σε σιδηρομαγνητικά υλικά. Σε μια επιστολή προς την Physical Review Bloch που υποβλήθηκε το 1936, περιέγραψε τη θεωρία του για τη μαγνητική σκέδαση νετρονίων. Αποδείχθηκε επίσης ότι η διασπορά θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια δέσμη πολωμένων νετρονίων και πώς οι μεταβολές της θερμοκρασίας του σιδηρομαγνήτη θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον διαχωρισμό της ατομικής σκέδασης από την πυρηνική σκέδαση. 

Πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός και το βραβείο Νόμπελ. Μετά τον πόλεμο, ο Bloch επινόησε μια μέθοδο για τη μέτρηση των ατομικών μαγνητικών ροπών. Αυτή τη μέθοδο την ονόμασε πυρηνική επαγωγή. Όταν οι ατομικοί πυρήνες τοποθετήθηκαν σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο, τότε οι μαγνητικές ροπές τους θα ευθυγραμμίζονταν. Εάν ένα ασθενές ταλαντευόμενο μαγνητικό πεδίο υπερτίθεται στο σταθερό πεδίο προς μια κατεύθυνση που είναι κάθετη προς το σταθερό μαγνητικό πεδίο, τότε, καθώς πλησιάζει η συχνότητα Larmor, το αρχικό περιστρεφόμενο διάνυσμα πόλωσης θα αναγκαστεί να πλησιάσει το επίπεδο που είναι κάθετο προς το σταθερό μαγνητικό πεδίο . Η οριζόντια περιστρεφόμενη συνιστώσα του φορέα πόλωσης θα προκαλέσει ένα σήμα σε ένα πηνίο παραλαβής του οποίου ο άξονας είναι κάθετος στο ασθενές πεδίο ταλάντωσης. Η ακριβής τιμή της συχνότητας που δίνει το μέγιστο σήμα μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί, όπως στον τύπο συντονισμού Larmor, για τον υπολογισμό της μαγνητικής ροπής. Χρησιμοποιώντας αυτήν τη μέθοδο,  μετρήθηκε η ροπή του πρωτονίου και βρέθηκε να συμφωνεί με την τιμή που είχε ήδη καθοριστεί από τον Rabi στα πειράματά του με ακτίνες μορίων. Συνεργάτες του Bloch στα πειράματα ήταν ο William. Ο W. Hansen και ένας μεταπτυχιακός φοιτητής, ο Martin Packard.