Da den andre verdenskrig brøt ut, ble Fleming innrullert i marinens etterretningstjeneste. Han ble sekretær til admiral John Henry Godfrey, og senere utnevnt til kommandør. Han ledet en rekke oppdrag fra sin base i London, blant annet for å hindre at tyskerne ødela sine arkiver etter hvert som de trakk seg tilbake.