1912年到1915年，莉泽跟随著名物理学家普朗克工作，并于1913年终于成为研究所的正式成员（之前她所有的工作都是无偿的）。一战期间，她也曾上战场，在战地医院做护士。1917年，她回到了实验室，与哈恩合作发现了镤的同位素镤231。遗憾的是，在1944年，哈恩因放射性研究而获诺贝尔化学奖时，莉泽·迈特纳的名字却被忽略了，尽管她在此方面付出的努力、取得的成果并不比哈恩少，但她的研究成果都被归到了哈恩名下。
1938年，二战开始，希特勒大肆屠杀犹太人，莉泽只得逃往荷兰避难，并于1938年8月来到了挪威。经过奋力争取，莉泽在位于斯德哥尔摩的诺贝尔研究所谋得了一个职位。但是，当时她的上司马内·西格班（Manne Siegbahn）歧视她，将她隔离在科学研究的基础设施之外。此时，曾经的同事哈恩写信告诉她，自己发现了用中子作用于铀得到的产物具有钡的放射性这一事实。莉泽立刻与合作者弗里施一起对这一惊人的实验结果作出了理论解释，并发表在1939年1月出版的《自然》杂志上。
在这篇文章中，她提出了一个物理学上的新概念——核裂变。莉泽是最早提出“裂变”这一词的人。在莉泽提出的理论中，裂变后的原子核总质量比裂变前的铀原子核质量小，这其中的质量差转换成了能量。她利用爱因斯坦的质能方程计算出裂变过程中每个原子核释放2亿电子伏特的能量，这一研究成果奠定了原子弹和原子能研究的基础。也因为这一研究成果，莉泽被称为“原子弹之母”。
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