Khi còn sinh sống ở quê nhà Scotland, Williamina Fleming vốn làm nghề dạy học ở Dundee, một làng quê ven biển. Ông James Fleming, người chồng đầu tiên hơn bà 15 tuổi là nhân viên kế toán. Hai người sau đó đã quyết định bỏ lại tất cả để di cư sang Mỹ.
Bằng tài năng thiên bẩm trong lĩnh vực thiên văn học, Williamina Fleming đã xây dựng hệ thống phân loại và lập danh sách cho hơn 10.000 ngôi sao trong vòng 9 năm.
Williamina Fleming nổi tiếng với việc phát hiện tinh vân Đầu Ngựa. Tổng cộng, bà đã khám phá 59 tinh vân, hơn 310 sao biến quang và 10 tân tinh (nova). Nhờ đó, Fleming trở thành thành viên danh dự của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia London.
Trước khi mất, bà được Hiệp hội Thiên văn Mexico trao tặng huân chương Guadalupe Almendaro. Tên của bà cũng được dùng để đặt cho một hố lõm (miệng núi lửa) trên Mặt trăng (crater Fleming).
