En 1939 el presidente norteamericano Roosevelt recibió una carta, firmada por Albert Einstein, en la que se le advertía que el régimen nazi de Adolf Hitler estaba desarrollando una bomba capaz de destruir una ciudad entera mediante un proceso llamado fisión nuclear. Asustado por la misiva el gobierno de los Estados Unidos de América organizó un programa para lograr desarrollar la bomba atómica antes de que lo hiciera Hitler. Los organizadores del Proyecto Manhattan intentaron reclutar a Lise Meitner, pero esta rechazó la petición: no quería contribuir a crear semejante máquina de matar.
Lise Meitner trabajó durante treinta años con Otto Hahn en investigaciones sobre radiactividad, especialmente sobre fisión nuclear. Sin embargo uno de los más importantes trabajos que realizaron juntos, en el que se explicaba el concepto de reacción en cadena, fue publicado en un artículo en el que solo se mencionaba a Hahn, no a Meitner. Al parecer el hecho de que Lise fuera mujer y judía había llevado a la ocultación de su nombre.
En 1938 la persecución de los judíos por los nazis hizo que Lise huyera (Hedy Lamarr ya había hecho lo mismo un año antes, en 1937). El régimen nazi organizó un proyecto, bajo las órdenes de Werner Heisenberg, para desarrollar una bomba atómica. El gobierno norteamericano, asustado por la posibilidad de que Hitler pudiera disponer de armas nucleares, organizó el Proyecto Manhattan para participar en la carrera armamentística. Lise Meitner no quiso participar en el proyecto norteamericano y, que se sepa, Otto Hahn nunca participó en el proyecto nazi.
En 1944 se concedió el Premio Nobel de Química… a Otto Hahn. Nadie supo explicar por qué razón se excluyó a Lise Meitner de dicho premio, teniendo en cuenta que los principales logros de ambos se habían logrado durante los treinta años en los que habían estado trabajando juntos. Hahn no pudo recoger el premio hasta 1947, ya que en 1944 había sido apresado por los británicos y estaba siendo interrogado a propósito del proyecto nuclear alemán.
Para decepción de Lise Meitner, quien nunca más volvería a trabajar con él, Otto Hahn ni siquiera la mencionó cuando recogió el Nobel en 1947. En las décadas posteriores el mérito de Lise Meitner fue reconocido mediante diversos premios, alguno de ellos obtenido a pesar de la oposición de Otto Hahn.
El elemento número 109 de la tabla periódica se denomina, en su honor, «meitnerio» (Mt). Lise Meitner y Marie Curie son las únicas mujeres cuyos nombres son recordados en los de dos elementos de la tabla periódica.