Lisa Meitner s-a născut pe 7 noiembrie 1878 la Viena, fiind al treilea dintre cei șapte copii ai avocatului Philipp Meitner și ai soției sale, Hedwig Skovran. Copila a urmat o școală de meserii, apoi a dat examen pentru a deveni învățătoare. În această perioadă s-a pregătit singură pentru bacalaureat, pe care l-a promovat în 1901 la Gimnaziul Academic din Viena, la vârsta de 22 de ani.
În același an a început să studieze fizica, matematica și filozofia la Universitatea din Viena și aici a obținut doctoratul în 1906, fiind a doua femeie care a ales fizica drept materie principală la această universitate. Tânăra a depus o cerere de angajare la institutul fondat de Marie Curie în Paris, dar nu a avut succes, așa că a început să lucreze la Institutul de fizică teoretică din Viena.
În 1907, a plecat la Berlin pentru a studia la Institutul de Chimie Kaiser Wilhelm, unde voia să audieze prelegerile lui Max Planck și aici l-a întâlnit pentru prima dată pe tânărul chimist Otto Hahn, cu care avea să colaboreze în următorii 30 de ani. În această perioadă, pentru că în Prusia femeile nu aveau încă voie să studieze, trebuia să intre în clădire pe ușa din spate și nu avea voie să viziteze sălile de curs și laboratoarele studenților.
A lucrat gratuit alături de Otto Hahn în departamentul de radiochimie ca „oaspete științific” și împreună cu acesta a făcut descoperiri legate de diverși radionuclizi. Statutul său de persoană tolerată s-a schimbat atunci când a primit o ofertă a Universității Caroline din Praga pentru preluarea unei funcții de conferențiar universitar, moment în care Societatea Kaiser Wilhelm i-a oferit o poziție permanentă în 1913, devenind primul membru de sex feminin al societății.
La începutul Primului Război Mondial, fiziciana a fost la fel de entuziasmată de război ca aproape toți colegii săi. În noaptea de 22 aprilie 1915, germanii au decis să elibereze în atmosferă 180 de tone de clor lichid, pe o distanţă de 6 km, între Steenstraat şi Langemarck, care în câteva minute avea să formeze un nor galben uriaş, care a fost dus de vânt în zona poziţiilor franceze și a ucis circa 5.000 de soldați și le-a produs leziuni altor aproximativ 10.000 de persoane. Trei zile mai târziu, Lisa Meitner i-a scris lui Hahn: „Vă felicit pentru succesul de la Ypres!”. Totusi, cercetătoarea nu a fost implicată direct în dezvoltarea armelor chimice, ci a făcut cursuri de infirmieră și asistentă de radiologie, iar din iulie 1915 a activat ca soră medicală a armatei austro-ungare într-un spital militar de pe frontul de est.
În octombrie 1916 Lise Meitner s-a întors la institutul din Berlin, unde a continuat să lucreze alături de Hahn, reîntors și el în decembrie 1916 de pe front. În 1918, a devenit șefa departamentului de radiofizică al „Institutului de Chimie Kaiser Wilhelm”, concentrându-se pe investigarea naturii fizice a radiațiilor, iar în 1926 a fost numită profesor asociat de fizică nucleară experimentală la Universitatea Humboldt din Berlin, devenind astfel prima profesoară universitară de fizică din Germania.
În ianuarie 1933, când Adolf Hitler a fost numit cancelar al Germaniei, Lisa Meitner nu a crezut că situația se va deteriora prea mult, dar în 1935 colegul ei, Otto Hahn, temându-se că cercetătoarea va deveni foarte curând victima ideologiei rasiale naziste, i-a pregătit plecarea ilegală în exil. Ultima noapte înainte de a părăsi Berlinul, pe 13 iulie 1938, Lisa și-a petrecut-o în casa soților Edith și Otto Hahn în Dahlem, iar chimistul i-a dăruit cu acest prilej un inel cu diamante foarte valoros, o moștenire de familie din partea mamei lui. Tânăra s-a refugiat în Suedia, unde a fost angajată de Institutul Nobel, și a continuat să corespondeze cu Hahn, care a informat-o în permanență despre progresul cercetările lor comune. Între timp, devenită pacifistă, Lisa Meitner a refuzat colaborarea cu americanii pentru construcției bombei atomice, rămânând în exil până în 1946.
În 1946, în timpul unui turneu științific în SUA, cercetătoarea a fost numită de presa americană, la numai un an după bombardarea orașelor Hiroshima și Nagasaki, „femeia anului” și „mama evreică a bombei atomice”.
Din 1947, Lise Meitner a condus Departamentul de Fizică Nucleară de la Institutul de Fizică al Universității Tehnice Regale din Stockholm și a susținut numeroase prelegeri ca profesor invitat al universităților americane. La bătrânețe a decis să se retragă din toate funcțiile și s-a mutat la nepotul ei, Otto Robert Frisch, care era rezident la Cambridge. Savanta a fost onorată cu 21 de distincții științifice și publice, fiind membră a douăsprezece academii și deținătoarea a cinci titluri de Doctor honoris causa pentru opera ei.
A fost nominalizată de 48 de ori pentru Premiul Nobel, dar nu a primit niciodată distincția. Otto Hahn a obținut Premiul Nobel pentru Chimie în 1944 pentru descoperirea fisiunii nucleare, procesul care a fost folosit în construcția reactorilor energetici nucleari și a armelor nucleare. Imediat după încheierea celui de-al Doilea Război Mondial, Hahn a reacționat cu privire la lansarea bombelor atomice asupra orașelor Hiroshima și Nagasaki, militând ferm împotriva utilizării energiei nucleare în scopuri militare și explicând că aplicarea descoperirii sale științifice în astfel de scopuri este un abuz, chiar o crimă.
Lisa Meitner a murit la vârsta de 89 de ani, pe 27 octombrie 1968, în Anglia, la doar câteva luni după decesul prietenului și colaboratorului ei, chimistul Otto Hahn.
