1939년에는 앨버레즈와 함께 이 방법을 사용하여 중성자의 자기 모멘트를 측정했다. 그리고 제2차 세계 대전이 일어나자 원자폭탄 제조와 레이더 대응책에 관해 연구했다. 1946년 그 자신이 1939년에 고안했던 자기유도 방법에 의한 원자해그이 자기 모멘트 측정 기술을 완성하였는데, 이 무렵 하버드 대학의 퍼셀도 핵자기 모멘트 측정에 성공하였다. 이와 같은 원자핵의 자기장을 측정하는 핵자기 공명법 개발에 대한 업적으로, 블로흐와 퍼셀은 1952년에 노벨 물리학상을 받게 되었다. 핵자기 공명법은 현재 의학계의 진단 방법으로 중요시되고 있다.