Был научным консультантом компании Эдисона в Лондоне, с 1899 г. – Компании беспроволочной телеграфии Маркони. Участвовал в осуществлении первой радиопередачи через Атлантику. Исследуя в 1904 г. обнаруженное Эдисоном явление одностороннего прохождения электрического тока в вакууме от накалённой нити к металлической пластинке, изобрел ламповый диод. В дальнейшем «диод Флеминга» стал применяться в радиоприемниках в качестве детектора радиоволн. В первый период ламповый диод не мог конкурировать по чувствительности с другими видами детекторов, что и обусловило его малое распространение. Но через несколько лет совершенствования, ламповые устройства вытеснили другие типы детекторов. Предложил правило правой руки для определения направления индукционного тока в проводнике (правило Флеминга).