Nació en Viena el 7 de noviembre de 1878 en el seno de una familia judía que se convirtió posteriormente al cristianismo. Su padre fue Philipp Meitner. Estudió en las universidades de Viena, donde ingresó en 1901 y se doctoró en 1907, y en Berlín donde ingresó para seguir las clases de Max Planck y permaneció junto a Otto Hahn en una investigación que duró más de treinta años, con quien descubrió el protactinio en 1918. Fue profesora en el Instituto de Kaiser Wilhelm y la Universidad de Berlín desde 1926 hasta1933. En 1938 abandonó Alemania y se unió al personal de investigación atómica del Instituto de Manne Siegbahn en la (Universidad de Estocolmo), en donde estableció contacto con su sobrino, Otto Frisch. Con la contribución de Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann produjeron el primer ejemplo de la fisión nuclear. En 1939 Hahn publicó sus resultados, pero fue Meitner quien explicó el fenómeno introduciendo el término de fisión nuclear, en un trabajo publicado en la revista Nature. Es conocida por su investigación sobre la teoría atómica y la radiactividad, sin embargo, a pesar de allanar con su descubrimiento de la obtención del punto de fisión el camino a Otto Hahn, premio Nobel de Química, nunca fue reconocida como coautora por ser judía. Sin embargo, recibió el reconocimiento por sus contribuciones a la física en 1966, cuando le fue concedido el premio Enrico Fermien Estados Unidos.
Sugirió la existencia de la reacción en cadena, con lo que contribuyó al desarrollo de la bomba atómica. En su honor se nombróMeitnerio al elemento químico 109.
Lise Meitner murió en Cambridge, el 27 de octubre de 1968. Conforme a sus deseos, fue enterrada en Bramley (Hampshire) junto a su hermano Walter, fallecido en 1964. Su sobrino Otto Frisch fue quien compuso la inscripción de su lápida, «Lise Meitner: una física que nunca perdió su humanidad».
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