Junto a Otto Hahn, descubrió un nuevo radioelemento, el protactinio, de símbolo Pa y número atómico 91, que se desintegraba en actinio. Luego estudió profundamente el experimento de Hahn que consistía en el bombardeo de uranio (número atómico 92) con neutrones, y del que se obtenía bario (número atómico 56). La explicación que justificaba que un isótopo radiactivo de bario se formara en el bombardeo de uranio con neutrones era que el núcleo del uranio se rompía en dos.
Este descubrimiento allanó de manera extraordinaria el camino para lograr de forma práctica la liberación de la energía atómica. El descubrimiento de Otto Hahn sirvió de base para que posteriormente se construyera la bomba atómica, proyecto en el que Meitner se negó a participar, con la esperanza de que el proyecto resultara imposible. Meitner no volvió a trabajar sobre la fisión.