Avusturya'nın Viyana şehrinde doğan Meitner, o zaman kızlar için mümkün olan tüm eğitimleri aldı. Ardından 14 yaşında üniversiteye girmesinde yardımcı olması için özel matematik ve fizik dersleri aldı. 1901 yılında Viyana Üniversitesi'ne kabul edildi. Burada teorik fizikçi Ludwig Boltzmann ile çalıştı. 1906 yılında fizik üzerine doktorasını aldı.

1907 yılında Max Planck ile çalışmak üzere Berlin'e gitti. Marie Curie'nin çalışmalarından etkilendiğinden, radyoaktivite üzerine çalışmak istiyordu. Kısa süre içinde Otto Hahn ile tanıştı. Otto Hahn'ın kimya bilgisi ile kendisinin fizik ve matematik bilgisini birleştirip beraber çalışma yapmaya karar verdiler.

1918 yılında çalışmalarının ilk ürünü olan, keşfettekleri yeni radyokatif element olan protaktinyumu duyurdular. Bu keşif ikisinin Alman bilim dünyasında ünlerini artırdı. 1918 yılında, Meitner, Kaiser Wilhelm Enstitüsü'nde radyoaktivite fiziği bölüm başkanı oldu. Daha sonra, 1926 yılında, Berlin Üniversitesi'ne ilk kadın profesör olarak atandı. Hahn ile ortak araştırmalarına devam ederken bir taraftan da kendi başına beta parçacıkları üzerine araştırmalarını sürdürmekteydi.

1933 yılında Nazi Partisi, Almanya'daki Yahudi bilim adamlarının hayatını değiştirmişti. Yahudi olmasına rağmen, sahip olduğu Avusturya vatandaşlığı onu korumaktaydı. 1930'ların ortalarında Hahn'ın uranyumu yavaş nötronlarla bombardıman etmesi deneylerine katıldı. Amaçları uranyumumdan başka elementler elde etmekti. Daha evvel Enrico Fermi denemişti fakat sonuçları belirsizdi.

1938'de Almanya Avusturya'yı işgal edince, Meitner'in Avusturya vatandaşlığı kalkanı ortadan kalktı. Çalışmalarını yarıda bırakıp Hahn'ın da yardımı ile Hollanda üzerinden İsveç'e kaçtı. Burada Stokholm'de bulunan Nobel Teorik Fizik Enstitüsü'nde çalışmaya başladı.

Otto Hahn bir deney sırasında elde ettiği baryuma bir anlam verememişti. Ve bunu bir mektupla Meitner'e yazdı. Meitner bu sonuç karşısında uranyum çekirdeğinin parçalandığı kanısına vardı. Bu fikrini yeğeni fizikçi Otto Frisch ile paylaştı. O da bu açıklamayı onaylayınca, 11 Şubat 1939'da dünyayı değiştirecek bir makale yayınladılar. "Uranyumun nötronlarla parçalanması: Yeni tip bir nükleer tepkime" Bu makalelerinde Hahn ve Strassmann'ın deneylerini referans göstererek, çekirdeğin damlacık modeli kullanarak, baryumun uranyumun parçalanmasından ortaya çıktığını önerdiler. Bu olaya biyolojide de kullanılan fizyon ismini koydular ve bir çekirdekte oluşan nükleer fizyon tepkimesinden yaklaşık 200 milyon elektron volt (200 MeV) enerji açığa çıktığını hesapladılar.

1943 yılında, Frisch'in de katıldığı, ABD'nin yürüttüğü kod adı Manhattan Projesi olan atom bombası projesine gidecek olan İngiliz takımına davet edildi. Lise Meitner, bilimsel katkılarını askeri uygulamalarda kullanmayacağını belirterek, teklifi geri çevirdi ve II. Dünya Savaşı bitinceye kadar İsveç'te kaldı ve 1949 yılında İsveç vatandaşlığına geçti.

1960 yılında Stokholm'den, yeğeni Frisch'in yanına, İngiltere'ye taşındı ve 1968 senesinde Cambridge'te öldü.