不過，這時邁特納已無法用護照「合法」出境。她帶著10馬克和幾件單薄的衣物，心懷恐懼、戰戰兢兢地展開這場非法逃亡，經過荷蘭與丹麥，最後落腳於寒冷的瑞典，在諾貝爾物理研究院（Nobel-Institute for Physics）工作。這個時期顯然是邁特納的人生低谷：她被迫離開熟悉的家人、朋友、同事、進行到一半的研究工作，不得不逃到異鄉；此外，邁特納也不太受到新同事的歡迎，她的新上司物理學家希格巴恩（Karl Manne Georg Siegbahn）對於女科學家仍然抱有偏見。
同一時間在柏林的實驗室，哈恩與後來加入的科學家史特拉斯曼（Fritz Straßmann）仍繼續著「以中子撞擊鈾元素」的實驗，而4年前獨具慧眼、將該研究帶到柏林的邁特納，如今卻只能透過通信參與這項研究，不過，根據史特拉斯曼的說法，邁特納仍然是「本小組的精神領袖」。1938年11月，哈恩與邁特納在丹麥首都哥本哈根（Copenhagen）秘密碰面，討論下一輪研究的設計。雖然邁特納缺席，但新一輪實驗相當成功，哈恩確實觀測到了核分裂，但他無法解釋這個現象，並在該年耶誕前夕寫信告訴邁特納：「儘管這在物理上解釋不通，但我們無法把這項結果藏起來不發表，若是妳能找出原因，那真是做了件大好事！」
![莉澤‧邁特納（Lise Meitner）與研究夥伴奧圖‧哈恩（Otto Hahn）。（取自Wikimedia Commons [Public domain]）](https://image.cache.storm.mg/styles/smg-800xauto-er/s3/media/image/2018/11/04/20181104-073859_U13537_M469566_5d4c.jpg?itok=I9Wu2tR0 "莉澤‧邁特納（Lise Meitner）與研究夥伴奧圖‧哈恩（Otto Hahn）。（取自Wikimedia Commons [Public domain]）")
相較於實驗成功的哈恩，孤獨返回瑞典斯德哥爾摩的邁特納則過了有生以來最落魄的耶誕節假期。她不僅開始質疑自己過去的思考方式是否正確，姪子費雪（Otto Robert Frisch）的來訪更帶來了壞消息：邁特納的父親在幾周前被逮捕，且被送進惡名昭彰的達豪集中營（KZ Dachau）。不過，對邁特納而言，同為物理學家的費雪仍是相當好的陪伴，他們討論了柏林的研究結果，思考該如何以理論來解釋哈恩所觀測的結果。在北歐的白雪靄靄之間，她的靈光突然乍見——原子核確實會分裂，並在此過程中釋放巨大能量！
首先提出「核分裂」理 終身擁護和平
1939年1月6日，哈恩與史特拉斯曼將他們觀測到的數據發表在期刊《自然科學》（Naturwissenschaften，現在的「The Science of Nature」），1月16日，邁特納和費雪向《自然》（Nature）提出理論模型，並在這篇文章首先提出了「核分裂」（Nuclear Fission）這個概念，成功以理論解釋哈恩所觀測到的現象。
這個劃時代的發現及理論立刻吸引全球科學家的注意，越來越多關於核分裂的研究紛紛出爐，當然，其中有些是關於核分裂可能的軍事用途，例如邁特納的研究成果促使愛因斯坦（Albert Einstein）致信美國總統羅斯福，表示應立即著手相關研究，間接導致開發出第一顆原子彈的「曼哈頓計劃」（Manhattan Project）。
1944年，哈恩因為「發現核分裂」獲頒諾貝爾化學獎，邁特納的貢獻卻遭到忽略，其中一個原因是哈恩有意避提邁特納逃亡後仍與實驗室保持聯繫。不過，儘管她在哈恩觀測到核分裂的當下因納粹迫害而缺席，但是這項研究計畫一開始確實由她展開與主導，並在最後為核分裂理論提供解釋。邁特納傳記作者赫納（David Rennert）與特拉克勒（Tanja Traxler）指出，邁特納一生曾被提名諾貝爾獎高達48次，但是從未獲獎。
邁特納的研究成果後來被用於生產核武，並導致20世紀的諸多悲劇，但這卻是她始料未及之事，也絕非她所樂見，邁特納和姪子費雪一生從未投入任何核武的研發工作，也反對這樣的核能技術運用方式。邁特納曾稱自己是「毫無一絲邪念的物理學家」，從她後來的作為看來確實如此。
1968年10月27日，邁特納在英國劍橋（Cambridge）逝世。邁特納是許多物理學家心目中20世紀最傑出的女科學家，她在家鄉維也納最後一次演講時說道：「我總是做出這樣的結論：人的一生並不是非得要過得輕鬆，只要過得不空洞就好，而我這個願望已經達成了。」
