przez Maxa Plancka).
W 1938 roku wspólnie z Fritzem Strassmannem przeprowadził pierwszą reakcję rozszczepienia jądra atomu Praca wysłana do publikacji 22 grudnia 1938.. Za to odkrycie Hahn otrzymał nagrodę Nobla w 1944 roku.
10 lutego 1939 Hahn i Strassmann przewidzieli wyzwolenie dodatkowych neutronów w czasie rozpadu atomowego (reakcja łańcuchowa została udowodniona przez Frédérica Joliot i jego współpracowników w marcu 1939 roku).
Podczas II wojny światowej Otto Hahn (i jego asystenci: , , Hans Götte, oraz Strassmann) pracowali nad reakcjami rozszczepienia jądra uranu. Do końca 1945 roku skompilowali listę 25 pierwiastków i około 100 udowodnionych przez nich izotopów.
W roku 1955 Hahn był współtwórcą tzw. Deklaracji Mainau, a w 1957 Manifestu z Göttingen. Od 1957 roku był wielokrotnie nominowany do Pokojowej Nagrody Nobla (np. przez francuski związek zawodowy Confederation Generale du Travail). Linus Pauling pisał o Ottonie Hahnie jako „swojej inspiracji”.
W roku 1971 amerykańscy chemicy nazwali pierwiastek numer 105 hahnium na cześć Ottona Hahna.