У 1905 році Ліза Майтнер стала першою жінкою у Віденському університеті, яка здобула PhD в галузі фізики. Після цього вона почала вивчати хімію в Інституті Кайзера Вільгельма в Берліні під керівництвом Макса Планка. Там і познайомилася зі своїм партнером Отто Ганом, із яким працювала впродовж 30 років. У 1926 році Майтнер стала першою жінкою в Німеччині, яка отримала звання професора, — вона почала працювати у Берлінському університеті.

Після відкриття нейтрона у 1932 році постало питання про створення трансуранових елементів (хімічні елементи з атомним номером вище 92, які у таблиці йдуть після урану). Майтнер з Ганом та іншими науковцями, як-от Ернест Резерфорд, Енріко Фермі, Ірен Жоліо-Кюрі почали змагатися за першість у цих дослідженнях і навіть не припускали, що закінчаться вони створенням ядерної зброї. Перед початком Другої світової війни Майтнер була змушена покинути Німеччину через єврейське коріння. Отто Ган залишився працювати там, тож Ліза продовжила роботу зі своїм племінником — Отто Робертом Фрішем.

Майтнер помітила, що процес ядерного поділу створює ланцюгову реакцію, яка може призвести до великих викидів енергії. Ця заява викликала сенсацію в науковому середовищі. Саме після її відкриття деякі науковці переконали Айнштайна написати лист президенту Рузвельту, після чого був створений Мангеттенський проект. Сама Майтнер від участі відмовилася.

У 1945 році Майтнер і Гана номінували на Нобелівську премію з хімії за відкриття ядерного розпаду, проте премію отримав лише Отто Ган. Попри все, вклад Майтнер у науку не залишився без уваги: у 1946 році Ліза Майтнер стала жінкою року за версією National Press Club, 1949 року її нагородили медаллю імені Макса Планка, а пізніше Ган, Штрассман і Майтнер разом отримали премію Енріко Фермі.