Je offener die Nazis auftraten, umso mehr setzten sich Kollegen, unter ihnen Max Planck, dafür ein, dass sie mit dem Nobelpreis geehrt wurde. Schließlich war Meitner schon mehrmals – allein und zusammen mit Hahn – vorgeschlagen worden. Eine größere Bekanntheit hätte ihr in dem bedrohlichen Klima außerordentlich genützt, zumal an ein öffentliches Auftreten schon lange nicht mehr zu denken war.

Mit ihrem Entschluss, in Deutschland auszuharren, ging die Wissenschaftlerin nach dem Zweiten Weltkrieg selbst hart ins Gericht: »Heute weiß ich, daß es nicht nur dumm, sondern ein großes Unrecht war […], denn letzten Endes habe ich durch mein Bleiben doch den Hitlerismus unterstützt.«

Und doch: Wäre sie gegangen, hätte sie vielleicht die größte wissenschaftliche Leistung ihres Lebens versäumt. 1934 überredete sie Hahn zu einer neuen Zusammenarbeit: Sie wollte mit den erst zwei Jahre zuvor entdeckten Neutronen das schwerste bekannte Element, das Uran, beschießen, um sogenannte Transurane zu schaffen. 1935 verstärkte der junge Chemiker Fritz Straßmann das Team, und sie begannen jene Versuche, die am Ende zur Kernspaltung führten.

Als Hahn im Dezember 1938 dafür den chemischen Nachweis lieferte, konnte er die physikalische Erklärung nicht mit Meitner persönlich erörtern, sondern nur heimlich mittels Briefen. Denn da war sie schon nicht mehr in Berlin.

Im Frühjahr 1938 hatte sie durch den »Anschluss« Österreichs ihren Status als Ausländerin verloren. Jetzt galt sie als »deutsche Jüdin« – und war prompt angezeigt worden wegen »Gefährdung des Instituts«. Als ihre Freunde erfuhren, dass Universitätsgelehrten keine Ausreisen mehr genehmigt würden, bereiteten sie zusammen mit ausländischen Kollegen Meitners Flucht über Holland nach Stockholm vor. Sie hatte anderthalb Stunden Zeit, um zu packen, »um nach 31 Jahren aus Deutschland wegzugehen«.

Im schwedischen Exil diskutierte Lise Meitner mit ihrem Neffen, dem Physiker Otto Robert Frisch, die verblüffenden Ergebnisse aus Berlin und schrieb zurück: »Vielleicht ist es doch möglich, daß ein so schwerer Kern zerplatzt.« Am 11. Februar 1939 erschien die Arbeit von Frisch und Meitner über die nuclear fission, die Atomspaltung.

Lise Meitner, die mit leeren Händen nach Stockholm gekommen war, fürchtete nun, wie sie in einem Brief an Hahn schrieb, viele würden »nach den schönen Ergebnissen« von ihm und Straßmann glauben, »daß ich überhaupt nichts gemacht habe und Du auch die ganze Physik in Dahlem gemacht hast«. Ihre Befürchtung sollte sich bestätigen: 1944 wurde allein Otto Hahn der (Chemie-)Nobelpreis für die Entdeckung der Kernspaltung zugesprochen.