Nació el 28 de mayo de 1908 en Londres (Gran Betaña). Fleming era hijo de un militar, el Mayor Valentine Fleming, en una ocasión miembro del Parlamento inglés por el Partido Conservador. Encontró la muerte durante la Batalla del Somme en 1916. Cursó estudios en Eton y Sandhurst. Pasado algún tiempo decidió viajar a Múnich y Ginebra con el fin de aprender idiomas. Hermano del viajero Peter Fleming, trabajó como corresponsal de la agencia Reuter en Moscú (1929-1933), y agente de bolsa y cambio en Londres hasta que se inició la II Guerra Mundial, momento en que fue nombrado asesor del jefe de inteligencia naval. Cuando la guerra llegó a su fin, fue redactor jefe del área de política internacional de The Sunday Times, hasta que se trasladó a Jamaica. Alcanzó su fama por el personaje de James Bond, el agente 007 del servicio secreto británico que protagoniza doce artificiosas novelas de aventuras, entre las que se encuentran Casino Royale (1953), Desde Rusia con amor (1957), Doctor No (1958), Goldfinger (1959), Thunderball (1961) y El hombre de la pistola de oro (1965). Tomó el nombre del ornitólogo James Bond que escribió uno de sus libros preferidos. En la residencia de Fleming en Oracabessa (Jamaica), una de sus biblias era el libro clásico de referencia "Aves de las Indias Occidentales", escrito por el ornitólogo americano James Bond, dijo: "Decidí que mi agente secreto tuviera una personalidad lo más anónima posible. Me pareció que ese nombre, breve y poco romántico pero masculino era justo lo que necesitaba". Parece ser que durante años, el cientifico tuvo más de un problema con su nombre al identificarse. El agente Bond ha aparecido en numerosas películas de gran éxito. Los diarios norteamericanos, al dar amplio despliegue a las declaraciones del presidente y de Dulles, abrieron el gran mercado para las aventuras de James Bond. Sólo en los Estados Unidos, hasta el momento de la muerte del escritor, se vendieron más de catorce millones de ejemplares. Las novelas de Flemming fueron rápidamente aceptadas por otros mercados y fue así como se tradujeron a más de diez idiomas. Tal y como publicó en su momento el New York Times, Fleming habría percibido alrededor de 2.8 millones de dólares por derechos de autor de sus obras. Formó, además, una compañía para que se encargase del manejo de sus intereses y vendió a una firma inglesa, poco antes de morir, el 51% de los intereses de sus futuros negocios, en 280.000 dólares.
Falleció en 1964 de un ataque al corazón, a la edad de 56 años, y con más de una veintena de novelas a sus espaldas.

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