Animado por este descubrimiento se trasladó a Montreal, Canadá, y junto a Rutherford (quien también iniciaba experimentos sobre la constitución del núcleo atómico) amplió sus conocimientos sobre la radiactividad. Regresó a Alemania en 1906 y trabajó en colaboración con el químico Emil Fischer en la Universidad de Berlín, donde fue profesor de 1910 a 1933. En 1912 ingresó como investigador al Instituto Kaiser Guillermo, que dirigió de 1928 hasta el fin de la segunda guerra mundial. En este período mantuvo estrecha colaboración con la física austríaca Lise Meitner, y ambos realizaron trascendentales descubrimientos científicos; fueron los primeros en aislar el isótopo 231 del protactinio, uno de los últimos elementos radiactivos naturales descubiertos.
En 1934 el físico italo estadounidense Enrico Fermi observó que, tras bombardear con neutrones el uranio, proceso en el que se libera una ingente cantidad de energía, se forman series de productos radiactivos. En 1938, Hahn y su colaborador Strassman (la Meitner se había visto obligada a huir de Alemania por la persecución nazi a los judíos), en contra de las expectativas iniciales determinaron que uno de los productos de la desintegración del uranio es un isótopo radiactivo de un elemento de mucho menor peso -el bario-, lo cual les indujo a pensar que el átomo de uranio se divide en dos átomos más ligeros tras el proceso de bombardeo con neutrones. El fenómeno fue llamado "fisión nuclear".
Hahn fue galardonado con el premio Nobel de Química en 1944, pero él no lo supo hasta que en 1945, al finalizar la segunda guerra mundial, cuando se hallaba en un campo de concentración británico junto con otros científicos alemanes prisioneros, uno de sus compañeros leyó por casualidad la noticia en un recorte de prensa. Recibió el galardón en 1946, al reanudar actividades científicas como presidente del Instituto Max Planck para el Progreso de las Ciencias.
Posteriormente, junto con otros destacados científicos firmó la Declaración de Gotinga, comprometiéndose a no trabajar en ningún proyecto de utilización de la energía nuclear con fines bélicos. Falleció en Gotinga. Había recibido en 1966 el premio "Enrico Fermi".
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