Si laurea in fisica e matematica nel 1905 con una tesi su La conduzione del calore nei corpi non omogenei. Un anno dopo ottiene anche il dottorato di ricerca. Poco dopo il suicidio del maestro Boltzmann, decide di lasciare Vienna e continuare la sua carriera di scienziata altrove.

Nel 1907, si trasferisce all'Università di Berlino come docente nell'istituto diretto da Max Planck, e poi al Kaiser Wilhelm Institut nella stessa città. Qui comincia a lavorare con Otto Hahn un giovane chimico con il quale si instaura una proficua collaborazione che durerà decenni. Insieme studiano la radioattività e la struttura del nucleo con grandi risultati. Essendo ebrea, nel 1938 deve fuggire dalla Germania; trova rifugio in Svezia dove rimarrà per il resto della sua lunga vita, a parte un breve soggiorno negli Stati Uniti. Pochi mesi dopo la fuga, dall'esilio fornisce la giusta interpretazione teorica degli esperimenti sul bombardamento dell'uranio con neutroni che Hahn ha continuato nel laboratorio di Berlino: comprende la fissione nucleare. Il suo convinto pacifismo non le permetterà mai di collaborare alla costruzione della bomba atomica, che fu un' applicazione diretta della sua scoperta. Dopo la guerra non se la sente di accettare le offerte di riprendere a lavorare in Germania e prende la cittadinanza svedese. Oltre all'impegno scientifico, sentirà il dovere di un impegno civile e sociale per la pace e per il femminismo. Muore nel 1968 a novant'anni.