En sus casi 30 años en el observatorio, Fleming descubrió 59 nebulosas gaseosas, 310 estrellas variables y 10 novas. Desarrolló la técnica de Pickering-Fleming que utilizó para catalogar más de 10.000 estrellas. También descubrió propiedades de los espectros de las enanas blancas, estrellas muy densas y calientes.