Flemming utbildad i medicin vid universitetet i Prag, examen 1868. Därefter tjänstgjorde han 1870-71 som militärläkare i fransk-preussiska kriget. Från 1873 till 1876 arbetade han som lärare vid universitetet i Prag. År 1876 accepterade han en tjänst som professor i anatomi vid University of Kiel. Han blev chef för det anatomiska Institutet och stannade där fram till sin död.
med användning av anilinfärger kunde han hitta en struktur som starkt absorberade basofila färgämnen, som han kallade kromatin. Han identifierade att kromatin var korrelerat med trådliknande strukturer i cellkärnan – kromosomerna (vilket betyder färgade kroppar), som senare namngavs av den tyska anatomisten Wilhelm von Waldeyer-Hartz (1841-1923). Den belgiska forskaren Edouard Van Beneden (1846-1910) hade också observerat dem oberoende.
Flemming undersökte processen för celldelning och fördelningen av kromosomer till dotterkärnorna, en process som han kallade mitos från det grekiska ordet för tråd. Men han såg inte splittringen i identiska halvor, dotterkromatiderna. Han studerade mitos både in vivo och i färgade preparat, med hjälp av som källa till biologiskt material fenor och gälar av salamandrar. Dessa resultat publicerades först 1878 och 1882 i den banbrytande boken Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung (1882; Cellsubstans, kärna och celldelning). På grundval av hans upptäckter antog Flemming för första gången att alla cellkärnor kom från en annan föregångarkärna (han myntade frasen omnis nucleus e nucleo, efter Virchows Omnis cellula e cellula). Ukrainska biologen Petro Peremazhko (1833-1893) upptäckte mitos i samma 1878 på Triturus svans.
Polytenkromosomer i en chironimus spottkörtelcell, en av över 100 ritningar från Flemmings bok Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung, 1885
illustrationer av celler med kromosomer och mitos, från boken Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung, 1882
Flemming är också känd för sin filantropi. Han matade varje vecka de som var hemlösa och donerade varje år 20% av sin lön till hemlösa skydd. Han lärde särskilt små barn som var för fattiga för att gå i skolan om matematik och naturvetenskap.
Flemming var omedveten om Gregor Mendels arbete (1822-84) om ärftlighet, så han gjorde inte sambandet mellan hans observationer och genetiskt arv. Två decennier skulle gå innan betydelsen av Flemmings arbete verkligen realiserades med återupptäckten av Mendels regler. Vetenskapskanalen heter Flemmings upptäckt av mitos och kromosomer som en av de 100 viktigaste vetenskapliga upptäckterna genom tiderna och en av de 10 viktigaste upptäckterna inom cellbiologi.
Flemmings namn hedras av en medalj som delas ut av det tyska samhället för cellbiologi (Deutschen Gesellschaft f äpplr Zellbiologie).
