Fleming nació en Mayfair, Londres, Reino Unido, hijo de Valentine Fleming y de Evelyn St. Croix Fleming. Peter Fleming, un hermano mayor, también era escritor. Hizo estudios en el Eton College y en la Real Academia Militar de Sandhurst, luego enseñó inglés en el continente, en Kitzbühel, Austria, y posteriormente en la universidad de Múnich, Alemania. Trabajó como periodista para Reuters y también se desempeñó como agente de bolsa.

En 1939, poco antes de comenzar la guerra, John Godfrey, director del British Department of Naval Intelligence de la Royal Navy, reclutó a Fleming como asistente, luego como lugarteniente, y finalmente como comandante. Durante este período, Fleming concibió un plan que nunca fue ejecutado: la Operación Ruthless, para capturar la máquina codificadora Enigma, usada en las comunicaciones de la armada alemana.

Este trabajo como asistente en los servicios secretos permitió a Fleming imbuirse del ambiente que se respira en sus novelas de espionaje. La primera novela que puso en escena a James Bond fue Casino Royale, publicada en 1953. Además de escribir doce novelas y nueve novelas cortas del agente 007, Fleming escribió también novelas para niños como Chitty Chitty Bang Bang. Todos estos libros tuvieron un gran éxito en los años 50 y permitieron a Fleming retirarse a una casa confortable en Jamaica.

En 1962, Fleming sugirió a su primo, el actor Christopher Lee, para interpretar el papel del Dr. No, el villano del primer filme e irónicamente pocos días antes de su muerte visitó el set de grabación de Goldfinger.

En 1964, Ian Fleming murió de una crisis cardiaca en Canterbury a la edad de 56 años y fue enterrado en Sevenhampton, cerca de Swindon, donde después serían enterrados su esposa Geraldine Mary Fleming (1913–1981) y su único hijo Caspar Robert Fleming (1952–1975).

Ian Fleming fue también un importante bibliófilo y poseedor de una respetable cultura. Su personaje, James Bond, acostumbra leer en momentos de tranquilidad, y uno de sus libros favoritos es "Profiles in Courage", un ensayo moral y ético sobre 5 políticos de la historia de los Estados Unidos, obra del senador John Kennedy.

Curiosamente, cuando el senador Kennedy fue elegido presidente, en una entrevista le preguntaron por sus libros favoritos y sin dudarlo respondió: "Las novelas de espías de Ian Fleming