Lise Meitner, fou la tercera dels vuit fills que tingueren Philip i Hedwig (nascuda Skovran) Meitner, ambdós jueus. El seu pare era un lliurepensador que, com a advocat, respectava les lleis, però n'era crític. La mare tenia molta afició a la música i va fer que fills i filles aprenguessin a tocar el piano des de petits. El cercle social que freqüentava la família el componien jueus amb professions liberals que apreciaven la cultura i el seu comportament no venia dictat per les normes del judaisme; de fet, els Meitner, com altres famílies jueves del seu entorn, van convertir-se al luteranisme.[4]
En aquell ambient, Lise Meitner des de la infància tingué afició per la lectura i les matemàtiques i s'interessava per la natura. A l'escola era molt bona estudiant, però en aquella època, l'educació l'obligatòria per a les noies acabava als catorze anys. Quan expressà el seu interès per estudiar a la Universitat de Viena, els seus pares li aconsellaren que primer obtingués un títol que li servís, per exemple, per ensenyar i poder mantenir-se i després ja pensaria a preparar-se per a la universitat.[5]
Als vint anys, amb el títol per dedicar-se a l'ensenyament del francès, començà a fer classes en una escola de noies de Viena, per demostrar que podia mantenir-se ella sola, però sense oblidar el seu somni d'estudiar a la universitat. Les coses es posaren al seu favor quan, el 1899, un decret del Govern permetia l'admissió de les dones a la universitat encara que no tinguessin el títol del Gymnasium (equivalent a batxillerat). Havia de preparar-se per obtenir un certificat de Matura, que li permetria accedir a la universitat. A la seva família, la seva germana Gisela també va acollir-se a aquesta possibilitat i després de dos anys de preparació, va començar a estudiar medicina el 1900.[6]
El 1901 va començar a estudiar física a la Universitat de Viena, on va tenir com a professor Ludwig Boltzmann. El 1905 obtingué el doctorat, i es traslladà a Berlín el 1907 per estudiar amb Max Planck i el químic Otto Hahn, amb el qual treballaria els següents trenta anys, dirigint sengles departaments a l'Institut Kaiser Wilhelm de Berlín. El director de l'Institut Emil Fischer no permetia que cap dona treballés als laboratoris, i Meitner havia de treballar al soterrani. Hahn i Meitner van col·laborar estretament en l'estudi de la radioactivitat. L'any 1918, van descobrir el primer isòtop de llarga vida de l'element protoactini.