W 1906 doktoryzowała się, jako druga kobieta w historii Uniwersytetu Wiedeńskiego, z fizyki. Tematem jej dysertacji było Przewodnictwo cieplne materiałów niehomogennych. thumb|left|Lise Meitner, 1906
thumb|left|Lise Meitner i Otto Hahn, 1913 thumb|Tablica pamiątkowa na domu rodzinnym Meitner w Wiedniu thumb|Instytut Chemii im. Cesarza Wilhelma (Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie) w Berlinie (obecnie: Instytut Biochemii Uniwersytetu Berlińskiego) Po obronie pracy doktorskiej starała się, bez powodzenia, rozpocząć pracę u Marii Skłodowskiej-Curie w Paryżu. Po odmowie, pracowała w Instytucie Fizyki Teoretycznej w Wiedniu. W roku 1907 przeniosła się do Berlina, gdzie słuchała wykładów Maksa Plancka i po roku zostając jedną z jego asystentek. W Berlinie spotkała też młodego chemika Otto Hahna, z którym pracowała, z krótkimi przerwami, następne 30 lat.
Praca naukowa w Berlinie Przez pierwsze lata pracowała z Hahnem nieodpłatnie, jako wolontariuszka, dzieląc z nim przerobiony z warsztatu stolarskiego pokój w Instytucie Chemii. Sytuacja ta zmieniła się w roku 1909, po oficjalnym wprowadzeniu w Prusach prawa studiowania dla kobiet.