Kémiát tanul a Marburgi Egyetemen, 1901-ben szerzett doktori fokozatot. 1904-ben Londonba utazott, s a University College-ban a radioaktivitást kutató Sir William Ramsay munkatársaként kezdett dolgozni. Hahn a Ramsay-tól kapott durva rádiumkészítmény tisztítása közben kimutatta, hogy a preparátumban jelen van egy új radioaktív anyag is, ezt radiotóriumnak nevezte el. Ramsay támogatásával állást kapott a Berlini Egyetemen. Mielőtt itt munkába állt, eltöltött néhány hónapot Montrealban, Ernest Rutherford (később Lord Rutherford of Nelson) munkatársaként. Röviddel azután, hogy 1906-ban visszatért Németországba, csatlakozott hozzá Lise Meitner osztrák fizikus, öt évvel később pedig mindketten az újonnan létesült berlin-dahlemi Vilmos Császár Kémiai Intézet munkatársai lettek. Itt Hahnt a kicsi, de független radiokémiai osztály vezetőjévé nevezték ki. A háború után Hahn és Meitner az elsők között izolálta a ²³¹Pa-t, a nem sokkal azelőtt izolált radioaktív protaktínium egyik izotópját. Fritz Strassmann radiokémikussal együtt a maghasadás felfedezője. 1944-ben kémiai Nobel-díjat kapott, 1966-ban pedig Strassmann-nal és Lise Meitnerrel megosztva Enrico Fermi-díjban részesült.