Fleury joue dix sept rencontres entre le début de la saison et mi-décembre avant de rejoindre pour l'édition 2004 du championnat du monde junior en compagnie de Maxime Talbot, autre choix de repêchage des Penguins en 2002. Le tournoi se joue à Helsinki en Finlande et les vice-champions du monde ouvrent le tournoi contre l'équipe locale avec un blanchissage de Fleury 3-0. Après une nouvelle victoire lors du deuxième match, le nouveau gardien de Pittsburgh est laissé au repos pour la troisième date contre l'Ukraine puis revient au jeu pour la victoire canadienne lors de la quatrième et dernière rencontre de la première phase. Le Canada accède une nouvelle fois à la finale du tournoi après avoir éliminé les Tchèques en demi-finale et il y retrouve les États-Unis. Alors que le score est de 3-3 et à cinq minutes de la fin, les Américains par l'intermédiaire de Patrick O'Sullivan viennent presser haut Fleury ; en tentant de dégager le palet de sa zone, il envoie la rondelle sur le dos de son défenseur Braydon Coburn et elle rentre dans le but scellant par là même l'issue du match et la victoire américaine.