Senere samarbeidet Hahn med kjemikeren Fritz Straßmann, etter at Meitner i 1938 var blitt tvunget til å forlate landet etter nasjonalsosialistenes maktovertagelse. Sent på høsten samme år klarte de å splitte uranatomer ved å bombardere dem med nøytroner og hadde dermed påvist for første gang at kjernefysisk fisjon var mulig. Hahn fortsatte å forske på dette i løpet av andre verdenskrig. Ved krigens slutt var han derfor i de alliertes søkelys og ble tatt til fange. Høsten 1945 visste han derfor ikke at han var tildelt nobelprisen i kjemi for 1944, da han satt internert i alliert fangenskap i England. Da Hahn i desember 1945 mottok prisen i Stockholm, kom han med en militær vokter.