W 1909 Hahn i Meitner odkryli zjawisko odrzutu promieniotwórczego, a w następnych latach liczne radioaktywne nuklidy. Dzięki tym sukcesom dołączyła do grona najwybitniejszych fizyków swojego czasu i miała okazję poznać osobiście m.in. Alberta Einsteina.
W 1912 roku warunki pracy Meitner i Hahna poprawiły się dzięki przenosinom ich laboratorium do nowo założonego przez Hahna Instytutu Chemii przy Towarzystwie Cesarza Wilhelma (Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft – dziś Otto-Hahn-Bau przy Thielallee w Berlinie). Lise Meitner miała w tym instytucie jednak nadal pozycję wolontariuszki. W czasie I wojny światowej pracowała jako siostra w polowych szpitalach armii austriackiej na froncie wschodnim, przy aparatach Röntgena, podczas gdy Otto Hahn pracował nad projektem produkcji broni chemicznej.
Od 1917 pracowali znów wspólnie, odkrywając nowy, względnie trwały izotop protaktynu Pa231, pierwiastka chemicznego, który został odkryty przez Kazimierza Fajansa i O. H. Göhringa w 1913. W 1918 Lise Meitner została kierownikiem pracowni fizyczno-radiologicznej w Instytucie Chemii im. Cesarza Wilhelma, z odpowiednim do swojego stanowiska wynagrodzeniem. W 1922 otrzymała stopień doktora habilitowanego, uzyskując tym samym prawo do prowadzenia wykładów.