Hahn wollte in die Industrie. Aus Grund und um seine Sprachkenntnisse aufzubessern wechselte 1904 an das University College in London und wurde Mitarbeiter bei Sir William Ramsay . Hier beschäftigte sich Hahn mit dem noch jungen Gebiet der Radiochemie. Bei der mit Salzen des Elements Radium entdeckte Hahn 1905 das so genannte Radiothorium ( Thorium 228) nach damaligen Vorstellungen ein neues Element es war aber ein damals noch Isotop des schon bekannten Elementes Thorium . Der Begriff " Isotop " wurde aber erst viel später entwickelt. Herbst 1905 wechselte Hahn an die McGill in Montréal Kanada um bei Sir Ernest Rutherford seine Kenntnisse zu vertiefen.
Während des Ersten Weltkrieges wurde Hahn zum Militär eingezogen und in die von Fritz Haber geleitete Spezialeinheit für chemische Kriegsführung. Nach Krieg nahm Hahn seine Arbeit am Institut auf. 1918 entdeckte er mit Lise Meitner das Protactinium .
Gemeinsam mit Meitner und dem Chemiker Strassmann setzte Hahn die Forschungsarbeiten fort die italienische Physiker Enrico Fermi durch den Beschuss von Uran mit Neutronen begonnen hatte. Bis 1939 glaubten die Wissenschaftler dass die Elemente Ordnungszahlen größer als 92 (die so genannten Transurane ) entstehen wenn man Uranatome mit Neutronen bombardiert. Als sie 1938 in einer mit Neutronen bestrahlten Uranprobe Transuranen suchten fanden Hahn und Strassmann Spuren Elements Barium. Diese 1939 bekannt gegebene Entdeckung der unwiderlegbare Beweis (der durch Berechnungen der der Reaktion beteiligten Energien bestätigt wurde) dass Uran in kleinere aus leichteren Elementen bestehende gespalten worden war. Nur kurze Zeit später Lise Meitner zusammen mit ihrem Neffen Otto Frisch - beide waren inzwischen nach Schweden emigriert - die theoretische Erklärung der Kernspaltung .
Hahn erhielt zahlreiche akademische Auszeichnungen und Ehrendoktortitel von Universitäten auf der ganzen Welt. anderem wurde nach ihm die Otto-Hahn-Friedensmedaille benannt eine Auszeichnung die von der Gesellschaft für die Vereinten Nationen vergeben wird. verfasste diverse Werke darunter beispielsweise Angewandte Radiochemie ( 1936 ) Vom Radiothor zur Kernspaltung ( 1962 ) sowie Mein Leben (Autobiographie 1968 ). Zwei Jahre nach seinem Tod schlugen Forscher vor das neu synthetisierte Element Nummer 105 ihm zu Ehren Hahnium zu nennen.