Zij was werkzaam op het gebied van de geochemie, de radiochemie en de zeldzame aarden. In 1925 ontdekte zij, samen met haar latere echtgenoot W. Noddack en met O. Berg, het element renium.
Ook de ontdekking van element 43 werd daarbij gemeld, dat de naam Masurium kreeg, naar de geboortestreek van W. Noddack. De analyse van het röntgenspectrum was positief, maar waarschijnlijk vanwege het snelle radioactieve verval kon dit element niet opnieuw worden aangetoond. De ontdekking werd later derhalve toegewezen aan de C. Perrier en E. Segrè die het kunstmatig bereidden door molybdeen te beschieten met deuteronen.
In 1934 voorzag zij de mogelijkheden van kernsplitsing, 4 jaar voordat L. Meitner en O. Hahn hun waarnemingen publiceerden.