Er studierte ab 1897 Chemie in Marburg und München. 1901 promovierte er bei Prof. Theodor Zinke in organischer Chemie. In der Folge arbeitete er unter Sir William Ramsay (London) und Ernest Rutherford (Montreal) mit an der Entdeckung des Radiothoriums, des Radioactiniums und an der Erforschung der Alpha-Strahlen.

1907 kehrte er nach Deutschland an das Institut von Emil Fischer in Berlin zurück, wo er bald auf Lise Meitner traf.

1938 entdeckte er gemeinsam mit Fritz Straßmann die Spaltung von Uran und Thorium in Elemente mit mittlerer Kernladungszahl

Gemeinsam mit Fritz Straßmann und Lise Meitner gilt Otto Hahn als der Entdecker der Kernspaltung.

1944 wurde Otto Hahn der Nobelpreis für Chemie verliehen, 1949 folgte die Max-Planck-Medaille.