1904 ging Otto Hahn an das University College London und wurde Mitarbeiter von Sir William Ramsay, dem Entdecker der Edelgase. Hier beschäftigte sich Hahn mit dem zu dieser Zeit noch jungen Gebiet der Radiochemie. Während der Arbeit mit Salzen des Elements Radium entdeckte Hahn 1905 das so genannte Radiothorium (Thorium 228).
1905 wechselte Hahn an die McGill-Universität in Montreal, Kanada, um bei Sir Ernest Rutherford seine Kenntnisse zu vertiefen. Hier entdeckte Hahn die nach damaliger Terminologie radioaktiven chemischen Elemente Thorium C, Radium D und Radioactinium. 1910 wurde Hahn an die Berliner Universität als Professor berufen. Während des ersten Weltkrieges arbeitete er am Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie an militärischen Einsätzen der Giftgas-Einheit.
Hahn folgte seinem Mentor Fritz Haber als Leiter des Instituts für Physikalische Chemie und Elektrochemie. Hier folgte er den Forschungsergebnissen von Curie und Fermi und versuchte mit Lise Meitner und später mit Friedrich Strassmann einen Urankern durch Neutronen zu spalten.