Lise Meitner est née dans une famille juive à Vienne, Autriche, le 7 novembre 1878. Le couple Meitner, aux idées libérales, élève ses enfants dans une atmosphère intellectuelle stimulante, et les encourage à poursuivre des études avancées. C’est ainsi que les filles Meitner bénéficient d’une scolarité plus avancée que la moyenne des jeunes filles autrichiennes de l’époque.

L’université autrichienne s’ouvre aux femmes en 1897 ; pour y être admises, les candidates doivent être reçues à la Matura (équivalent du baccalauréat) en tant que candidates libres, le lycée leur étant fermé jusqu’alors. Après deux ans de préparation dans un petit groupe de femmes, Lise est reçue en 1901 à l’âge de 22 ans. Elle y apprend la physique, la chimie, les mathématiques et la botanique avant de se spécialiser en physique en deuxième année. Elle suit avec assiduité les cours donnés par Ludwig Boltzmann, un grand physicien théoricien qui fascine ses élèves et développe des liens intellectuels mais aussi personnels.

En décembre 1905, Lise Meitner effectue un doctorat sur la conduction de la chaleur dans les solides inhomogènes. Elle  obtient son diplôme de doctorat avec la plus haute mention en février 1906. Ce qui fait alors d’elle la 2ème femme à obtenir un doctorat.

En tant que femme, il est impossible d’espérer une carrière académique mais elle poursuit ses études, avec le soutien de son père, sur la radioactivité et l’absorption de rayonnement dans les métaux.

En 1907, elle part à l’université de Berlin avec l’accord du professeur Max Planck (l’université n’est alors pas ouverte aux femmes).

Lise reçoit plusieurs offres d’emploi et finit par accepter la collaboration du chimiste Otto Hahn sur la radioactivité, dans un institut dirigé par Emil Fischer. Ils sont relégués au sous-sol par Fischer qui voyait d’un mauvais œil l’arrivée d’une femme dans son institut.

En 1912, l’Institut Kaiser Wilhelm de Chimie embauche Otto Hahn dans le domaine de la radiochimie où Lise l’y rejoint avec seulement le statut d’invitée, sans salaire. Peu après elle finit enfin par avoir son premier salaire en tant qu’assistante de Max Planck. Et c’est seulement après avoir reçu une offre d’emploi à Prague pour un poste de professeur que l’institut finit enfin par la promouvoir associée.

Au début de la Première Guerre Mondiale, la scientifique s’engage comme infirmière en manipulant les équipements à rayon X.

Cependant en 1917, elle retourne à Berlin pour poursuivre ses recherches, malgré un sentiment de culpabilité pour l’abandon de son service d’infirmière. Elle devient la directrice du département de physique au sein de l’institut tout en poursuivant sa collaboration avec Otto. Ils découvrent ensemble plusieurs isotopes tel que le protactinium en 1918.