Bloch fue contratado en Lyon para trabajar para la SOE. Comenzó a trabajar en la resistencia con el operador de radio de SOE Brian Stonehouse hasta su arresto a fines de octubre de ese año. Tras la captura de Stonehouse, se ocultó hasta principios de 1943 cuando se puso en contacto con los agentes del SOE George Reginald Starr y Philippe de Vomécourt. Comenzó a trabajar con ellos en la ciudad de Agen, en el departamento de Lot-et-Garonne, en el sur de Francia. Sin embargo, se decidió enviarla a Londres y acompañada de otro agente, atravesó los Pirineos hasta llegar a Gibraltar y finalmente a Londres. Allí el SOE la entrenó para ser operadora de radio en preparación para su regreso a Francia.
El 2 de marzo de 1944, con el agente de la SOE Robert Benoist, saltó sobre el centro de Francia. Trabajando en el área de Nantes, la pareja restableció el contacto con el agente de SO, Jean-Pierre Wimille. Sin embargo, en junio, tanto ella como Benoist fueron arrestados y Bloch fue interrogada y torturada antes de ser enviada a Alemania. Estuvo recluida en las cárceles de Torgau en Sajonia y en Königsberg en Brandeburgo, donde sufrió exposición, frío y desnutrición.
Bloch finalmente fue enviada a Ravensbrück. En algún momento entre el 25 de enero de 1945 y el 5 de febrero fue ejecutada por los alemanes y su cuerpo incinerado en el crematorio. Tenía 29 años. Lilian Rolfe y Violette Szabo, otras dos mujeres del SOE detenidas en Ravensbrück, fueron ejecutadas aproximadamente al mismo tiempo. En mayo, pocos días antes de la rendición alemana, también fue ejecutada la agente Cecily Lefort. Se alega que el SS-Sturmbannführer Horst Kopkow estuvo involucrado en el arresto y asesinato de estas agentes de la SOE.
La tumba de la familia de Bloch en el cementerio de Montmartre en París conmemora su vida y ejecución. regreso a Francia.

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