В 1908 г., когда Лизе было тридцать лет, исследования привели ее в Берлинский университет — тогда один из величайших мировых центров атомной физики. Здесь она изучала теоретическую физику с Максом Планком, открывателем квантовой теории — одной из самых революционных концепций в истории, за которую Планк получил Нобелевскую премию в области физики в 1918 г. И в это же время она начала свою экспериментальную работу с Отто Ганом, который учился под руководством Резерфорда. Это сотрудничество продолжалось тридцать лет.
Группа Гана и Лизы Мейтнер получила всемирное признание за их вклад в исследования радиоактивности, впервые проливший свет на образование продуктов распада радия, актиния и тория и на естественное превращение этих элементов с помощью алхимии природы. В 1917 г. они открыли редкий элемент протактиний, который занял 91-е место в периодической системе и заполнил пустое место между торием (порядковый номер 90) и ураном (номер 92). Они назвали его протактинием, так как их исследования показали, что он превращается в актиний, 89-й элемент.
Необычные радиоактивные элементы, полученные Ферми в 1934 г. бомбардировкой урана нейтронами, вызвали сенсацию в научном мире. Во всех ведущих лабораториях применялись хитроумнейшие приемы современной науки для определения природы этих странных элементов. Сейчас мы знаем, что они были новыми радиоактивными видами элементов с массой, почти вдвое меньшей массы атома урана, т. е. осколками расщепленных атомов урана. Но, согласно принятым в то время концепциям, расщепление атома считалось невозможным. Поэтому ученые продолжали ошибочно искать элементы тяжелее урана там, где их не было.
Среди самых опытных и хорошо известных исследователей в этой области были, конечно, Отто Ган и Лиза Мейтнер в Берлине и Ирен Жолио-Кюри вместе со своими сотрудниками в Париже. А в 1937 г. группа Гана — Мейтнер с помощью другого выдающегося радиохимика, Фрица Штрассмана, начала проводить опыты, которые могли проложить новые пути в научной пустыне. В 1938 г. они были заняты этими экспериментами, когда нацистские расовые законы прервали научную деятельность Лизы Мейтнер в Германии.
Хотя Лиза Мейтнер жила и работала в Берлине в течение тридцати лет, она сохранила свое австрийское подданство. После прихода Гитлера к власти в 1933 г. ей позволили продолжать работать в Институте кайзера Вильгельма, хотя она была еврейкой. Однако, когда немцы в марте 1938 г. оккупировали ее родину, на Лизу Мейтнер распространились нацистские расовые законы. Ее уволили, несмотря на вмешательство Гана и личное обращение Планка к Гитлеру. Узнав, что нацисты не позволят Лизе эмигрировать, голландские коллеги добыли ей разрешение на въезд в Голландию без паспорта. Приехав в Копенгаген, она посетила известный Институт теоретической физики, возглавляемый Нильсом Бором, где ее племянник Отто Р. Фриш, также бежавший из Германии, занимал ведущее положение. Оттуда она направилась в Стокгольм, где ее ожидало почетное место в штате сотрудников Физического института.