В 1917 Майтнер возвращается в Институт кайзера Вильгельма, где до 1938 руководит отделом. В 1918 вместе с Ганом открывает новый радиоактивный элемент протактиний (об этом открытии Ган объявил лишь после Второй мировой войны), затем разрабатывает методы исследования b-спектров. С 1922 преподает в Берлинском университете, в 1926 становится профессором. В 1922–1924 Ган и Майтнер сформулировали представление о дискретных энергетических состояниях ядер, а в 1932 одними из первых исследовали ядерные реакции, вызванные облучением нейтронами.

В 1933, с приходом к власти Гитлера, многие немецкие ученые-евреи покинули Германию, но Майтнер, которой Ган и Штрассман выхлопотали звание «ценного еврея», оставалась в Германии до 1938. Буквально в последнюю минуту она перебралась в Данию, а оттуда в Швецию, где ей было суждено прожить 24 года. В 1938–1946 она работает в Нобелевском институте, в 1948–1960 – в Высшей технической школы в Стокгольме. В 1939 Майтнер совместно с О.Фришем удалось объяснить результаты опытов Гана и Штрассамана – образование бария при бомбардировке урана нейтронами: ядро урана делится на два «осколка» – ядра атомов бария и криптона – с высвобождением энергии. Так был открыт новый тип расщепления атома и предсказано существование ядерной цепной реакции.

В 1946 Гану присуждают Нобелевскую премию по физике. Майтнер премии не получает, хотя многие выдающиеся физики того времени считают, что она может претендовать на нее с таким же правом, как и Ган. Однако и к Майтнер приходит признание. После войны ее награждают премией города Вены в области науки, она получает Золотую медаль Макса Планка, премии Гана и Ферми.

В 1960 Майтнер переехала в Великобританию и 27 октября 1968 умерла в Кембридже на пороге своего 90-летия.