Az atommaghasadás felfedezése 1938. december 17-én a berlini Kaiser Wilhelm Kémiai Intézetben a természettudományok történetének egyik legjelentősebb eseménye. Amikor az uránt neutronokkal besugározták, uránhasadási termékek keletkeztek, köztük a bárium, amelyet először észleltek. Otto Hahn magfizikai és radiokémiai kísérletének ezt a döntő eredményét asszisztense, Fritz Straßmann kémiai elemzéseivel egészítette ki. Interdiszciplináris együttműködésben ezt a váratlan eredményt először 1939 januárjában Lise Meitner és Otto Frisch értelmezte elméletileg és magfizikai szempontból.
A kiindulópont Enrico Fermi kísérletei voltak, aki 1934-ben különféle kémiai elemeket sugárzott be neutronokkal, köztük az uránt is. Hahn, Meitner és Straßmann éveket töltött azzal, hogy tisztázza az urán besugárzása során tett megfigyeléseket. Ettől függetlenül 1937-től a párizsi Radium Intézet Irène Joliot-Curie vezette munkacsoportja is ugyanernek a témának szentelte magát. Kezdetben minden munkacsoport azt a hipotézist követte, hogy a besugárzás az uránnál nehezebb elemeket (úgynevezett transzurán elemeket) termel. Bár ezek is ilyen kísérletekben keletkeznek (például 239Pu neutronbefogással és két ezt követő béta-bomlás a 238U izotópból), ma már ismert, hogy ezen elemek kémiai és radiológiai tulajdonságai nem egyeznek Fermi, Joliot-Curie és Hahn megfigyeléseivel. 1938 decemberében váratlan eredmény született: Hahn és Straßmann speciális kémiai elválasztási és elemzési módszerekkel bizonyították, hogy a megfigyelt reakciótermékek radioaktív bárium-izotópok, amelyek a természetben nem fordulnak elő. A kísérletek nyilvánvalóan – ahogy Hahn fogalmazott – az atommag „kitörését” eredményezték, amit a vegyészek elméletileg nem tudtak megmagyarázni. Ez a „felrobbanás” nem vezet az urán radioaktív bomlása során fellépő reakciótermékekhez (urán-rádium sorozat és urán-aktínium sorozat). 1939 januárjában Lise Meitner kifejezetten a „hasadás” szót használta egy levélben a „bursting” kifejezés mellett.
Lise Meitnert, akinek 1938 nyarán zsidó származása miatt el kellett hagynia a nemzetiszocialista Németországot, és Hahn segítségével Hollandián keresztül Svédországba emigrált, Otto Hahn ezt követően levélben tájékoztatta a berlini kísérletek előrehaladásáról. 1939 januárjában unokaöccsével, Otto Frisch-lel együtt ki tudta dolgozni Hahn-Straßmann eredményeinek első magfizikai értelmezését, és 1939 februárjában Frisch-lel együtt publikálta a brit Nature folyóiratban. Modelljük az uránmagot elektromosan töltött folyadékcseppként írta le, amely a neutron befogásakor oszcillációt váltott ki, így az két, megközelítőleg azonos méretű töredékre hasadt fel, és nagy energiát szabadít fel. Frisch ennek az addig ismeretlen típusú magreakciónak a maghasadás elnevezést adta, amely gyorsan nemzetközileg elfogadottá vált. A Hahn-Straßmann és Frisch-Meitner 1939. januári és februári publikációi rendkívüli visszhangot váltottak ki a tudósok körében, mivel az atommaghasadás egy új, eddig ismeretlen nagyságú energiaforrást, az atomenergiát nyitott meg.
Általánosan elfogadott, hogy Hahn rendkívüli vegyészi képességei tették lehetővé az atommaghasadás felfedezését. Karl Erik Zimen így fogalmazott: „Senki sem tudta hozzá hasonlóan elemezni a fejében lévő több genetikailag rokon radionuklid aktivitásának időbeli változásait, és senki sem tud hozzá hasonlóan ügyes lenni a hihetetlenül kis mennyiségű anyagokkal végzett kémiai műveletek elvégzésében és gondosságában, amelyeket gyakran csak atomszámokban fejeznek ki.” Lise Meitner azt írta, hogy a tudományos eredmény azért volt annyira csodálatra méltó, mert „minden elméleti útmutatás nélkül és tisztán kémiai úton” érték el. Egy ARD-interjúban (1959) ezt mondta: „Hahn és Straßmann szokatlanul jó kémiájával, fantasztikusan jó kémiával, amire akkoriban senki más nem tudott.” Ugyanebben az interjúban Fritz Straßmann azután kifejtette, hogy Hahn módszerére nemcsak az egyes anyagok elkülönítésére, hanem azonosítására is szükség van; a felfedezés tehát Hahn érdeme.
A felfedezés Hahn több évtizedes kutatómunkájának eredményeként is értelmezhető. Hans-Joachim Born és Fritz Straßmann ezt írta: „Az a tény, hogy kémikusként sikerült felfedeznie a nehéz atommagok hasadását, a keményen dolgozó élet beteljesülése és a fáradhatatlan kutatómunka csúcspontja volt.”
Lise Meitnernek az atommaghasadás felfedezésében játszott szerepe a mai napig vitatott. Meitner maga írta egy barátjának 1945. november végén írt levelében, hogy szerinte „Frisch és én nem elhanyagolható módon hozzájárultunk az uránhasadási folyamat tisztázásához – hogy hogyan jön létre, és az, hogy ilyen nagy energiafejlődéshez hozzák összefüggésbe, erre Hahn nem is gondolt.” Ernst Peter Fischer tudománytörténész ebben az értelemben „a Svéd Akadémia ostobaságának” nevezte azt a tényt, hogy Meitner nem kapott Nobel-díjat. Ma az atommaghasadás felfedezését általában az együttműködés eredményének, Meitnert pedig társfelfedezőnek tekintik. A müncheni Német Múzeumban található egykori „Otto Hahn asztal” – amely az atommaghasadás felfedezéséhez használt berendezéseket mutatja be – 2013 óta „Hahn-Meitner-Straßmann asztalnak” nevezik Meitner és Straßmann közreműködésének tiszteletére.
