Quando a Áustria foi anexada pela Alemanha em 1938, Meitner se viu forçada a fugir da Alemanha para a Suécia (via Países Baixos e Dinamarca), onde continuou seu trabalho no Instituto Manne Siegbahn em Estocolmo, porém com poucos recursos em parte devido ao preconceito de Siegbahn contra mulheres na ciência. Hahn e Fritz Straßmann deram continuidade ao trabalho iniciado anteriormente com Meitner. Hahn escrevia para Meitner descrevendo os resultados, e mais tarde encontraram-se clandestinamente em Copenhague, em novembro, para planejar uma nova rodada de experiências. As experiências químicas da evidência da fissão nuclear foram desenvolvidas no laboratório de Hahn em Berlim e publicadas em janeiro de 1939. Em fevereiro do mesmo ano, Meitner publicou através de uma carta à Revista Nature, junto com seu sobrinho Otto Frisch, quando esteve visitando-o na Dinamarca, a explicação física sobre o processo que denominou de fissão nuclear. Meitner provou que a divisão do átomo de Urânio (em átomos de Bário e Criptônio) libera energia e nêutrons, que por sua vez causam fissão em mais átomos liberando neutrões e assim sucessivamente, dando origem a uma série de fissões nucleares com liberação contínua de energia, num processo denominado reação em cadeia. Meitner reconheceu o potencial explosivo desse processo. Imediatamente esses resultados foram confirmados no mundo inteiro. Tal descoberta fez com que outros cientistas se juntassem para convencer Albert Einstein a escrever uma carta ao Presidente Franklin D. Roosevelt, alertando-o quanto aos perigos do Projeto Manhattan.