Lise Meitner nació el 7 de noviembre de 1878 en Viena, Austria. Tercera de ocho hijos de una familia judía, ingresó en la Universidad de Viena en 1901 y estudió física con Ludwig Boltzmann. Tras doctorarse en 1906, se trasladó a Berlín en 1907 para estudiar con Max Planck y el químico Otto Hahn. Trabajó junto a Hahn durante 30 años, dirigiendo cada uno una sección del Instituto de Química Kaiser Wilhelm de Berlín. Hahn y Meitner colaboraron estrechamente en el estudio de la radiactividad, con los conocimientos de física de ella y los de química de él. En 1918, descubrieron el elemento protactinio.
En 1923, Meitner descubrió la transición sin radiación conocida como efecto Auger, que lleva el nombre de Pierre Victor Auger, un científico francés que descubrió el efecto dos años después.
Después de que Austria fuera anexionada por Alemania en 1938, Meitner se vio obligada a huir de Alemania a Suecia. Continuó su trabajo en el instituto de Manne Siegbahn en Estocolmo, pero con poco apoyo, en parte debido a los prejuicios de Siegbahn contra las mujeres en la ciencia. Hahn y Meitner se reunieron clandestinamente en Copenhague en noviembre para planificar una nueva ronda de experimentos. Los experimentos que proporcionaron las pruebas de la fisión nuclear se realizaron en el laboratorio de Hahn en Berlín y se publicaron en enero de 1939. En febrero de 1939, Meitner publicó la explicación física de las observaciones y, junto con su sobrino, el físico Otto Frisch, bautizó el proceso como fisión nuclear. El descubrimiento llevó a otros científicos a escribir al presidente Franklin D. Roosevelt una carta de advertencia, que dio lugar al Proyecto Manhattan.
En 1944, Hahn recibió el Premio Nobel de Química por sus investigaciones sobre la fisión, pero Meitner fue ignorada, en parte porque Hahn restó importancia a su papel desde que dejó Alemania. El error del Nobel, nunca reconocido, se rectificó en parte en 1966, cuando Hahn, Meitner y Strassman recibieron el Premio Enrico Fermi. En una visita a Estados Unidos en 1946, la prensa americana la trató como una celebridad, como alguien que había «salido de Alemania con la bomba en el bolso».
Meitner se retiró a Cambridge, Inglaterra, en 1960, donde murió el 27 de octubre. En 1992, el elemento 109, el más pesado conocido en el universo, recibió el nombre de Meitnerio (Mt) en su honor. Muchos consideran a Lise Meitner la «mujer científica más importante del siglo XX».