Ab dem 1. Dezember 2014 war er zudem Cheftrainer der deutschen Basketball-Nationalmannschaft. Im Jahre 2005 hatte er während seiner Zeit als Quakenbrücker Headcoach bereits die deutsche U20-Nationalmannschaft als Bundestrainer betreut. Während seiner Amtszeit als Bundestrainer gehörte Fleming im Jahr 2015 auch einem Spitzensportausschuss an, der vom Deutschen Basketball-Bund, der Basketball-Bundesliga sowie der 2. Bundesliga und den Landesverbänden ins Leben gerufen worden war, um die Ligen und Verbände zu beraten. Im März 2017 bestätigte er seinen geplanten Rücktritt als deutscher Nationaltrainer nach der EM 2017, da durch die Einführung von Länderspielen während der Saison eine weitere Doppelfunktion als Assistenztrainer beim NBA-Club Brooklyn nicht mehr möglich sei. Sein letztes Spiel als Bundestrainer war die Viertelfinale-Niederlage gegen Spanien am 12. September 2017 bei der Europameisterschaft. Sein Nachfolger wurde Henrik Rödl.