פלמינג התקבל לשירות החשאי הבריטי תוך הפעלת קשרים משפחתיים, ושירת בו במהלך מלחמת העולם השנייה. משם דלה את רוב רעיונותיו לכתיבת ספריו. במהלך המלחמה שירת פלמינג בצי המלכותי הבריטי, כעוזרו האישי של אדמירלג'ון גודפרי, ראש המודיעין הימי הבריטי. יש האומרים כי אדמירל גודפרי היווה את ההשראה לדמותו של "M", ראש הביון הבריטי בסדרת ספרי "ג'יימס בונד".
במסגרת תפקידו הקים פלמינג את יחידת הקומנדו "30", או בשמה האחר כוח תקיפה 30, יחידת קומנדו שמנתה מתנדבים מהצי, מהנחתים ומהצבא הבריטי, שמשימתה הייתה לבצע פשיטות מאחורי קווי האויב כדי להשיג מודיעין על אמצעי לחימה ומערכות מתקדמות שברשות הצבא הגרמני, וכן לבצע פשיטות על מפקדות אויב כדי להשיג מסמכים ופריטי מידע מודיעיני[2]. פלמינג אמנם הקים את היחידה ותכנן את מבצעיה אולם לא שימש כמפקדה בשדה הקרב. המבצע הראשון בו השתתפו לוחמי היחידה היה הפשיטה על דייפ שבצרפת באוגוסט 1942. אחריו פעלו לוחמי היחידה בהצלחה במבצע לפיד, בו השתלטו לוחמי מדור 33 ביחידה, שהיו לוחמי חיל הנחתים המלכותי שהתנדבו ליחידה, על מבנה מפקדה של הצבא האיטלקי. היחידה פעלה בהצלחה רבה לאורך כל המלחמה במבצעים בזירת הים התיכון בפלישות לסיציליה ובפלישה לנורמנדי.
פלמינג היה מעורב במספר מבצעי ביון מורכבים שהייתה להם השפעה חשובה על המלחמה. בין היתר היה פלמינג ממתכנני ומבצעי "מבצע קציצה" באפריל 1943, בו השליך הביון הבריטי גופת קבצן לחופי ספרד, כשהוא מעניק לו זהות בדויה כקצין בריטי בכיר עם מסמכים סודיים מזויפים במטרה להטעות את הנאצים ולגרום לצבא הגרמני להפחית מסדר הכוחות והכוננות בסיציליה. ההונאה הצליחה והקלה על פלישת בעלות הברית לסיציליה[3][4].
בעת שלוחמי יחידת הקומנדו לחמו בשרבור הגיע פלמינג לחזית ופגש את לוחמי היחידה שהקים. הוא כינה אותם "אינדיאנים אדומים" ו"אינדיאנים", ואף שאב השראה ממבצעי היחידה ולוחמיה בעת שכתב את ספרי "ג'יימס בונד". בין היתר נרמז בספריו כי בונד עצמו, על פי הביוגרפיה הבדיונית שלו, שירת במלחמת העולם השנייה בצי המלכותי, ולחם בשורות יחידת קומנדו בפשיטות שערכה מאחורי קווי האויב[5] ובמבצעיה המורכבים[6].
באחד ממבצעי המלחמה נשלח פלמינג לג'מייקה לחבור לצוללת גרמנית שהייתה קשורה למבצע של השירות החשאי הבריטי. פלמינג התאהב בארץ זו ולאחר המלחמה עזב את השירות בעקבות סכסוך עם הממונים עליו, השתקע בג'מייקה, בנה בית על החוף וגר בו עד סוף ימיו.
את ההשראה לשם "ג'יימס בונד" קיבל משמו של האורניתולוג האמריקאיג'יימס בונד, שחיבר את מדריך "עופות האיים הקריביים". פלמינג פנה לכתיבה כמעט כתחביב לעת פרישה והסתייע גם בתקופה שעבד כעיתונאי. עם פרסום ספרו הראשון בסדרת בונד, "קזינו רויאל", זכה לעידוד מסופרים נחשבים כסומרסט מוהם וכריימונד צ'נדלר. ספריו קיבלו פרסום רב כשנשיא ארצות הברית, ג'ון פ' קנדי, ציין באחד מראיונותיו כי איאן פלמינג הוא סופר המתח האהוב עליו.
פלמינג נישא לליידי אן, בת אצולהאנגלייה, ולזוג נולד בן אחד. במהלך חייו הבוגרים נהג להרבות בעישון ובשתייה. ב-1961 סבל מהתקף לב, והוא נפטר באוגוסט 1964 מהתקף לב נוסף.
^איאן פלמינג, קזינו רויאל, הוצאת זמורה ביתן, 1953, עמוד 195, "ובזמן שהוא, בונד שיחק באינדיאנים במשך שנים (כן, התיאור של לה שיפר היה מדויק לחלוטין), האויב האמיתי עבד בשקט, בקור רוח, בלי מבצעים נועזים, ממש לידו. פתאום הוא ראה בעיני רוחו את וספר צועדת במסדרון עם מסמכים בידיה. על מגש. הם פשוט קיבלו הכול על מגש, בעוד הסוכן קר הרוח עם הקידומת אפס-אפס משוטט בעולם בחיפוש אחר שעשועים- ומשחק באינדיאנים".