Flemming opiskeli lääketiedettä Prahan yliopistossa valmistuen 1868. Sen jälkeen hän toimi vuosina 1870-71 sotilaslääkärinä Ranskan-Preussin sodassa. Vuosina 1873-1876 hän työskenteli opettajana Prahan yliopistossa. Vuonna 1876 hän otti vastaan anatomian professorin viran Kielin yliopistosta. Hänestä tuli anatomisen instituutin johtaja ja hän toimi siellä kuolemaansa saakka.
aniliinivärien avulla hän pystyi löytämään rakenteen, joka absorboi voimakkaasti basofiilisia väriaineita, joille hän antoi nimen kromatiini. Hän selvitti, että kromatiini korreloi solun tuman rihmamaisiin rakenteisiin – kromosomeihin (eli värillisiin kappaleisiin), jotka Saksalainen anatomi Wilhelm von Waldeyer-Hartz (1841-1923) nimesi näin myöhemmin. Myös belgialainen tiedemies Edouard Van Beneden (1846-1910) oli havainnut ne itsenäisesti.
Flemming tutki solujen jakautumista ja kromosomien jakautumista tytärytimiin, jota hän kutsui mitoosiksi Kreikan säiettä tarkoittavasta sanasta. Hän ei kuitenkaan nähnyt jakautumista identtisiin puolikkaisiin, tytärkromatideihin. Hän tutki mitoosia sekä in vivo että värjätyissä valmisteissa käyttäen biologisen materiaalin lähteenä salamantereiden eviä ja kiduksia. Nämä tulokset julkaistiin ensin vuonna 1878 ja vuonna 1882 seminaarikirjassa ”Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung” (1882; Cell substance, nucleus and cell division). Löytöjensä perusteella Flemming arveli ensimmäistä kertaa, että kaikki soluytimet ovat peräisin toisesta edeltäjästä tumasta (hän keksi lauseen omnis nucleus e nucleo, Virchowin omnis cellula e cellula). Ukrainalainen biologi Petro Peremažko (1833-1893) löysi mitoosin vuonna 1878 Trituruksen hännästä.
Polyteenikromosomit Chironimus-sylkirauhasen solussa, yksi yli 100 piirroksesta Flemmingin kirjasta Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung, 1885
kuvia kromosomeja ja mitoosia sisältävistä soluista kirjasta Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung, 1882
Flemming tunnetaan myös hyväntekijänä. Hän ruokki viikoittain kodittomia ja lahjoitti joka vuosi 20 prosenttia palkastaan kodittomien suojiin. Hän opetti erityisesti pieniä lapsia, jotka olivat liian köyhiä koulunkäyntiin matematiikasta ja luonnontieteistä.
Flemming ei ollut tietoinen Gregor Mendelin (1822-84) perinnöllisyyttä käsittelevästä työstä, joten hän ei tehnyt havaintojen ja geeniperimän välistä yhteyttä. Kaksi vuosikymmentä kuluisi ennen kuin Flemmingin työn merkitys todella toteutuisi Mendelin sääntöjen uudelleen löytämisen myötä. Tiedekanava nimesi Flemmingin mitoosin ja kromosomien löydön yhdeksi kaikkien aikojen 100 tärkeimmästä tieteellisestä löydöstä ja yhdeksi solubiologian 10 tärkeimmästä löydöstä.
Flemmingin nimeä kunnioittaa Saksan solubiologian seuran (Deutschen Gesellschaft für Zellbiologie) myöntämä mitali.
