Lise Meitner syntyi 7. marraskuuta 1878 Wienissä Itävallassa. Kolmas juutalaisperheen kahdeksasta lapsesta, hän pääsi Wienin yliopistoon vuonna 1901 opiskelemaan fysiikkaa Ludwig Boltzmannin johdolla. Valmistuttuaan tohtoriksi vuonna 1906 hän lähti vuonna 1907 Berliiniin opiskelemaan Max Planckin ja kemisti Otto Hahnin kanssa. Hän työskenteli yhdessä Hahnin kanssa 30 vuoden ajan, ja kumpikin heistä johti omaa osastoa Berliinin Keisari Vilhelmin kemian laitoksessa. Hahn ja Meitner tekivät tiivistä yhteistyötä tutkiessaan radioaktiivisuutta Hahnin fysiikan ja Meitnerin kemian tuntemuksen avulla. Vuonna 1918 he löysivät alkuaineen protactinium.
Vuonna 1923 Meitner löysi Augerin ilmiönä tunnetun säteilymättömän siirtymän, joka on nimetty ranskalaisen tiedemiehen Pierre Victor Augerin mukaan, joka löysi ilmiön kaksi vuotta myöhemmin.
Kun Itävalta liitettiin Saksaan vuonna 1938, Meitner joutui pakenemaan Saksasta Ruotsiin. Hän jatkoi työtään Manne Siegbahnin instituutissa Tukholmassa, mutta vähäisellä tuella, mikä johtui osittain Siegbahnin ennakkoluuloista naisia kohtaan tieteessä. Hahn ja Meitner tapasivat salaa Kööpenhaminassa marraskuussa suunnitellakseen uutta kokeilukierrosta. Kokeet, joilla saatiin näyttöä ydinfissiosta, tehtiin Hahnin laboratoriossa Berliinissä ja julkaistiin tammikuussa 1939. Helmikuussa 1939 Meitner julkaisi fysikaalisen selityksen havainnoille ja nimesi prosessin yhdessä veljenpoikansa, fyysikko Otto Frischin kanssa ydinfissioksi. Löytö johti siihen, että muut tiedemiehet saivat Albert Einsteinin kirjoittamaan presidentti Franklin D. Rooseveltille varoituskirjeen, joka johti Manhattan-projektiin.
Vuonna 1944 Hahn sai Nobelin kemianpalkinnon fissiotutkimuksestaan, mutta Meitner jätettiin huomiotta, osittain siksi, että Hahn vähätteli rooliaan Saksasta lähdöstään lähtien. Nobelin virhe, jota ei koskaan tunnustettu, korjattiin osittain vuonna 1966, kun Hahn, Meitner ja Strassman saivat Enrico Fermi -palkinnon. Vieraillessaan Yhdysvalloissa vuonna 1946 hän sai amerikkalaisessa lehdistössä täydellisen julkkiskohtelun henkilönä, joka oli ”lähtenyt Saksasta pommi käsilaukussani.”
Meitner vetäytyi eläkkeelle Cambridgeen, Englantiin, vuonna 1960, jossa hän kuoli 27. lokakuuta. Vuonna 1992 alkuaine 109, maailmankaikkeuden raskain tunnettu alkuaine, nimettiin hänen kunniakseen Meitneriumiksi (Mt). Monet pitävät Lise Meitneriä ”1900-luvun merkittävimpänä naistutkijana”
.