Nació en Viena, Austria, en 1878, en el seno de una familia judía siendo la tercera de ocho hermanos. Su padre era abogado y siempre motivó intelectualmente a sus hijos para que realizaran estudios superiores.
Lise comenzó a estudiar en la Universidad de Viena en 1901, justo cuando en Austria se levantó la prohibición de que las mujeres pudieran realizar estudios superiores. Fue brillante en sus estudios durante estos años y en 1907 obtuvo el grado de doctora, siendo la segunda mujer en conseguir uno en la Universidad de Viena.
Pero Lise vio poco futuro para una mujer científica en Austria y se marchó a Berlín, donde asistió a clases de Max Plank quién llegaría a ser su mentor. Trabajó gratuitamente en un laboratorio donde conoció a Otto Hahn con quién inició una amistad y colaboración muy productiva que duraría treinta años.
En 1910 se construyó el Instituto Kaiser-Wilhelm, precedente del instituto Max Planck, dónde por fin Lise obtuvo su primer sueldo. Durante la primera guerra mundial ayudó en un hospital como técnica de Rayos X pero, además, continuó sus investigaciones cuyo resultado sería, entre otros, el artículo publicado en 1918 junto a su colega Hahn sobre el descubrimiento del protactinio. En 1919 obtuvo una plaza como profesora de la Universidad de Berlín, siendo la primera mujer en lograrlo.
Los años 30 fueron fundamentales para la física nuclear y Lise siguió con sus investigaciones en este campo. Pero también fueron años muy convulsos con la llegada del partido nazi al poder y en 1938 se vio obligada a abandonar el país por ser de origen judío.
En 1939 reanudó sus investigaciones en el Instituto Manna Seigbahn de Suecia, en precarias condiciones. Mantenía correspondencia fluida con su colega Hahn y comenzó a colaborar con su sobrino residente en Copenhague Otto Robert Frisch. Con él describió la primera fisión nuclear, publicando sus resultados en la revista Nature.
En 1942 se le ofreció participar en un grupo internacional para conseguir la bomba atómica (Proyecto Manhattan), a lo que ella se negó. A partir de esta década de los 40 llegó por fin el reconocimiento internacional con multitud de galardones.
Lise Meitner continuó sus investigaciones el resto de su vida en Suecia en el campo de la física nuclear y radiactividad y se mantuvo activa hasta los años 60, cuando se trasladó a Cambridge para estar cerca de su familia.