マイトナーはハーンと共に、アクチニウムに関する研究を行った。アクチニウムはウランを含む鉱物で発見されることから、ウランと関わりがあることが分かっていたが、ウランが原子崩壊して直接アクチニウムが生み出されるという現象は観測されていなかった。そのため、順番としては、ウランの原子崩壊により、アクチニウムとは別の原子が生み出され、その原子（母物質）がさらに崩壊してアクチニウム（娘物質）になると推測されていた。
マイトナーはさらに、この沈殿物をフッ酸や濃硫酸を使って分離させ、α線の観測を行った（ハーンは従軍していたため、実験はマイトナー1人で行うことが多かった）。測定の結果、この物質はα線を放出していることが分かった。さらに実験を続けることで、この物質からはアクチニウムが生成されることが明らかになった（アクチニウムの存在を直接観測することは難しいため、アクチニウムが崩壊してできる崩壊生成物を測定することで確かめた）。
β崩壊の研究.
マイトナーはこのような実験からおのおののスペクトルのでどころを求め、そのエネルギー量を計算していった。そして、β崩壊で原子核から放出される粒子のエネルギーはやはり一定で、この粒子の一部がγ線に転化すると結論付けた。
核分裂の発見.
しかしこれらの反応のメカニズムは解明できなかった。また、マイトナーらは同時期にトリウムに中性子をあてることによって放射性物質が生み出されることを発見し、その研究を行ったが、やはりその反応を理論的に説明することはできなかった。
マイトナーとノーベル賞.
この選考に関しては、当時から議論の種となっていた。ハーンとシュトラスマンによる核分裂反応の実験時にマイトナーがその場にいなかったことなどを踏まえて、マイトナーは核分裂の発見に寄与しなかったとする否定的見解がある。果ては、マイトナーがいなくなったことでこの発見は成し遂げられた、ととらえられることさえあった。ハーン自身も後年に、もしマイトナーがその場にいたら、この実験には反対していただろうと述べており、自分たちの発見に関して述べる時にもマイトナーの貢献についてほとんど触れなかった。そのため、一時期マイトナーの業績は過小評価されていた。
他の科学者との関わり.