Ele obteve um posto como assistente no Instituto de Química da Marburg, ficou lá dois anos, após o qual trabalhou sob Sir William Ramsay na University College, em Londres, a partir do outono de 1904 até verão seguinte. Seu trabalho foi recompensado com a descoberta de uma nova substância radioativa, radiothorium, enquanto trabalhava na preparação de sais de rádio puro.
A partir do outono de 1905 até verão do ano seguinte Hahn estava no Instituto de Física da Universidade McGill, em Montreal (Canadá), trabalhando sob orientação do professor Ernest Rutherford. Aqui ele descobriu radioactinium e conduziu investigações com Rutherford em raios alfa de radiothorium e radioactinium.
Em seu retorno à Europa Hahn mudou-se para Berlim, para o Instituto de Química ( Emil Fischer ) da Universidade e lá ele se qualificou como um professor universitário na primavera de 1907, e neste ano também viu a descoberta de mesothorium.
No final de 1907, Dr. Lise Meitner veio para Berlim a partir de Viena e, em seguida, começou uma colaboração mais de trinta anos.
Seu trabalho conjunto abraçava: investigações sobre os raios beta, a sua capacidade de absorção, espectro magnético, etc.; usar do recuo radioativo, descoberto pouco antes por Hahn, para obter novos produtos de transformação radioativos.