Do roku 1933 pozostał w Niemczech, współpracując z takimi fizykami jak Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Niels Bohr i Enrico Fermi. W roku 1933, ze względu na rasistowską politykę III Rzeszy, wyemigrował do Stanów Zjednoczonych (jego rodzice byli Żydami), w roku 1939 uzyskał obywatelstwo amerykańskie. Rozpoczął pracę na Uniwersytecie Stanforda, gdzie pracował na stanowisku profesora fizyki teoretycznej.
W czasie II wojny światowej uczestniczył w badaniach energii jądrowej w ramach Projektu Manhattan w Los Alamos, następnie przeniósł się na Uniwersytet Harvarda i przyłączył do zespołu opracowującego techniki radarowe. W okresie powojennym prowadził badania dotyczące magnetycznego rezonansu jądrowego (równania Blocha), za co w roku 1952 został uhonorowany – wspólnie z Edwardem M. Purcellem – Nagrodą Nobla: za rozwinięcie nowych metod precyzyjnych pomiarów magnetyzmu jądrowego i za odkrycia dokonane przy ich zastosowaniu.