W 1910 roku został mianowany profesorem, a od 1912 kierował Departamentem Jądrowym w nowo utworzonym Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft. W roku 1924 Hahn został pełnym członkiem Pruskiej Akademii Nauk (jego kandydatura została zaproponowana przez Einsteina, Plancka, Fritza Habera, Wilhelma Schlenka i Maksa von Laue). Od roku 1928 Otto Hahn został dyrektorem Kaiser-Wilhelm-Institut w Berlinie.
W 1913 roku jego współpracownicą została austriacka fizyk Lise Meitner, z którą Hahn badał zjawisko rozszczepienia jąder atomowych. Meitner wspólnie z Ottonem Frischem rozwinęła teoretyczne podstawy tego zjawiska. Po zajęciu Austrii przez nazistowskie Niemcy Meitner musiała w 1938 roku, z powodu swego żydowskiego pochodzenia, wyemigrować do Danii. Nowym współpracownikiem Ottona Hahna został mianowany 36-letni chemik – uczeń Hahna – Fritz Straßmann.
25 kwietnia 1945 r. Hahn został aresztowany w i przewieziony do Hechingen, podobnie jak inni naukowcy biorący udział w niemieckim programie nuklearnym (m.in. Max von Laue, Carl Friedrich von Weizsäcker, Erich Bagge, i ;