Etter nazistenes maktovertakelse ble hennes liv og stilling i Berlin så truet at hun sommeren 1938 flyktet til Sverige. Kort etter ble hun, sammen med Otto Hahn og Fritz Strassmann, verdensberømt for å ha oppdaget kjernefysisk fisjon, men i motsetning til Hahn fikk hun ingen Nobelpris. De siste årene av sitt liv levde hun i England hvor hun også døde. For ettertiden er Meitner kjent for sin beskrivelse av kjernefysisk fisjon, et viktig bidrag til sivil og militær utnyttelse av energien i atomkjernen. Grunnstoffet Meitnerium er oppkalt etter henne.