По возвращении в Германию Отто Ган продолжил свои исследования с радиоактивными элементами в Химическом институте. Здесь он подтвердил существование промежуточного радиоактивного вещества мезотория. В 1907 г. Лизе Майтнер, физик из Вены, прибыла в Берлин учиться и выполнять экспериментальную работу у Макса Планка. Хотя женщинам запрещалось работать со студентами мужского пола в одной лаборатории, ей было разрешено посещать лабораторию Отто Гана Сотрудничество Отто Гана и Майтнер продолжалось более 30 лет. Они исследовали проблему испускания электронов из радиоактивных ядер (бета-распад) и идентифицировали несколько ранее неизвестных радиоактивных продуктов, полученных в процессе трансформации. Когда в 1912 г. был создан Институт физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма, Отто Ган стал директором радиохимической группы. Институтское оборудование позволило Отто Гану и Майтнер проводить работу по изучению рубидия и калия – распространенных в природе элементов со слабой радиоактивностью. Определив время полураспада рубидия, которое оказалось равным 230 млрд лет, Отто Ган показал, что возраст рубидийсодержащих минералов может быть рассчитан, исходя из анализа распада рубидия до превращения его в стронций.

В начале первой мировой войны Отто Ган был призван в пехотный полк действующей армии, принимал участие в боевых действиях на Западном фронте, был награжден. Но поскольку он был химиком, его переводят в службы, занимавшиеся созданием химического оружия, где он работал под руководством Фрица Габера, который развеял первоначальные сомнения Отто Ган в отношении этого оружия, убедив его, что такое орудие приведет к более быстрому завершению войны и тем самым многим сохранит жизнь. Отто Ган несколько раз участвовал в подготовке газовых атак и испытал сильнейший стресс от наблюдаемого эффекта. Только переехав в Берлин в 1917 г., Отто Ган смог возобновить свои работы с Майтнер по распаду радиоактивных веществ; именно в это время он обнаруживает нестабильный элемент – протактиний.

Продолжив после окончания войны исследования с радиоактивностью, Отто Ган заметил, что многие радиоактивные вещества, по-видимому, имеют одинаковые химические свойства. Это явление было объяснено в работах английских ученых Фредерика Содди, Дж. Томсона и Фрэнсиса У. Астона, которые установили, что изотопы элемента имеют в ядре различное число нейтронов, являющихся ответственными за изменение ядерных свойств и поведения. Отто Ган открыл уран-Z, что явилось первым примером существования изомера радиоактивных атомов. Затем его заинтересовали аспекты применения радиоизотопов в химии, включая образование кристаллов и использование меченых атомов в химических реакциях.

В 1928 г. Отто Ган был назначен директором Института физической химии и электрохимии кайзера Вильгельма. В 1933 г. он посетил Соединенные Штаты Америки и выступил с докладом на чтениях, посвященных Джорджу Фишеру в Корнеллском университете. Узнав, что на основании нацистских законов ученые еврейской национальности изгнаны из Института кайзера Вильгельма и что Габер в виде протеста подал в отставку, Отто Ган поспешил вернуться в Германию. В следующем году он принял участие в конференции, посвященной Габеру после его смерти в Швейцарии. Несмотря на отказ Отто Ган вступить в нацистскую партию, ему разрешили остаться в институте в прежней должности.

В 1934 г. Отто Ган с Майтнер и присоединившимся к ним год спустя Фрицем Штрассманом начали изучение эффекта облучения нейтронами урана и тория, предполагая, что будут образовываться новые, более тяжелые, чем уран, элементы. Еще до того, как эта группа исследователей смогла проверить эту гипотезу, Австрия была захвачена Германией, и Майтнер, которая была австрийской еврейкой, бежала в Швецию. Обосновавшись в Стокгольме, Майтнер вместе со своим племянником Отто Фришем, тоже физиком, продолжила совместные исследования с Отто Ган, переписываясь по почте. К общему удивлению, они обнаружили, что бомбардировка урана нейтронами приводит к образованию радиоактивных веществ, которые химически идентичны барию, лантану и церию. Поскольку эти элементы имеют атомный вес вдвое меньший, чем у исходного урана, стало ясно, что нейтронное облучение расщепляет ядра урана. Вскоре было обнаружено, что в процессе, который они назвали ядерным расщеплением, так же как и при цепной реакции, выделяется большое количество энергии.

Как и страны антигитлеровской коалиции, Германия проявляла особый интерес к использованию процесса ядерного распада для усиления своего военного потенциала, и вскоре после начала второй мировой войны вермахт создает центр ядерных исследований. Отто Ган был подключен к этим проектам, хотя и занимался лишь фундаментальными проблемами по изучению продуктов ядерного расщепления. В конце войны Институт кайзера Вильгельма был разрушен бомбардировками союзников и переехал в г. Тайльфинген на юг Германии. Здесь после занятия его французскими войсками Отто Ган и его коллеги были арестованы англоамериканской спецразведкой, переправлены в Англию и допрошены об их научной деятельности во время войны. Несколько месяцев позднее Отто Ган перенес сильное потрясение, узнав, что США в 1945 г. использовали ядерное оружие против японских городов Хиросима и Нагасаки.

Будучи интернирован в Англию, Отто Ган узнает, что ему присуждена Нобелевская премия по химии за 1944 г. «за открытие расщепления тяжелых ядер». Ему было разрешено вернуться в Германию в 1946 г., в конце этого же года ему была вручена Нобелевская премия в Стокгольме. В своей речи при презентации лауреата Арне Тизелиус, член Шведской королевской академии наук, сказал: «Открытие расщепления тяжелых ядер привело к таким последствиям, что мы все, все человечество, смотрим вперед с большими надеждами, но также и с большими опасениями за наше будущее».

В Нобелевской лекции Отто Ган проследил пройденный научными исследованиями путь от естественной трансмутации урана, открытой Антуаном Анри Беккерелем, к ядерному расщеплению. В заключение он процитировал отрывок из лекции Фредерика Жолио-Кюри, произнесенной им при вручении ему в 1935 г. Нобелевской премии, в которой французский физик предупреждал об огромной опасности атомной энергии. «То, что десять лет назад было плодом воображения, «бредового воображения», сегодня стало уже в некоторой степени угрожающей реальностью». Обращаясь к аудитории и отвечая на вопрос, будет ли использована ядерная энергия в мирных целях или для разрушения, Отто Ган заявил: «Ответ должен быть дан без колебания, что, несомненно, ученые мира приложат все усилия для победы первой альтернативы».

В 1946 г. Отто Ган стал президентом Общества кайзера Вильгельма, переименованного в Общество Макса Планка. Он уделял много внимания реорганизации германского научного сообщества. Выступая с публичными предостережениями об опасности, которую несет атомная бомба, он объединил многих физиков, страшившихся последствий совершенствования этого оружия. В 1959 г. на его 80-летие было объявлено, что Институт ядерных исследований в Берлине будет переименован в Институт имени Гана – Майтнер, а Химический институт Макса Планка в Майнце станет Институтом Отто Гана. Через год Отто Ган подал в отставку с поста президента Общества Макса Планка.