W 1913 roku jego współpracownicą została austriacka fizyk Lise Meitner, z którą Hahn badał zjawisko rozszczepienia jąder atomowych. Meitner wspólnie z Ottonem Frischem rozwinęła teoretyczne podstawy tego zjawiska. Po zajęciu Austrii przez nazistowskie Niemcy Meitner musiała w 1938 roku, z powodu swego żydowskiego pochodzenia, wyemigrować do Danii. Nowym współpracownikiem Ottona Hahna został mianowany 36-letni chemik – uczeń Hahna – Fritz Straßmann.