Bécsben született, 1906-ban doktorált fizikából szülővárosa egyetemén. 1907-től a berlini egyetemen Max Planck professzor asszisztense lett, ott kezdődött többévtizedes munkája Otto Hahn vegyésszel. A radioaktivitás kutatása során tett felfedezéseiket közös publikációk sora tanusította. 1926-ban ő volt az első nő, aki Németországban fizikusi egyetemi professzori kinevezést kapott. 1933-ban zsidó származása miatt eltiltották az oktatástól, majd 1938-ban életveszélybe került és menekülnie kellett. Sikerült Svédországba szöknie, ahol Stockholmban Manne Siegbahn laboratóriumában kapott állást, megkapta a svéd állampolgárságot is. A közös munka Hahnnal nem szakadt meg, levélben tartották a kapcsolatot. 1946-ban előadókörútra hívták az Egyesült Államokba, visszatérése után a stockholmi egyetem magfizikai részlegének vezetőjévé nevezték ki. Több egyetem tiszteletbeli tagja, az osztrák Tudományos Akadémiai első női tagja, a Max Planck érem és az Enrico Fermi díj birtokosa. 1982-ben róla nevezték el a meitnerium nevű kémiai elemet. 

1944-ben Hahn maghasadással kapcsolatos eredményeiért Nobel díjat kapott, elfogadó beszédében egy szót sem ejtett Meitnerről.