Fille du sculpteur Robert Stevens, Williamina voit le jour à Dundee (Ecosse) et y fait ses études. En 1877 elle épouse James Fleming, comptable déjà veuf. Ils partent pour les Etats-Unis où l’époux - volage ? - abandonne son épouse et son enfant. Pressée par des besoins financiers, elle entre au service du professeur Pickering qui travaille au Harvard College Observatory. Il a en tête un classement et une description des étoiles connues. Mais il confie le travail non pas à des hommes mais à des femmes qui sont plus patientes et plus précises. C’est le commencement des « calculatrices de Harvard ». Mais il est probable que le choix de femmes plutôt que d’hommes ait été favorisé par le fait que les femmes étaient moins bien payées que les hommes...Au fil des années Williamina aura de plus en plus de responsabilités et complètera ses connaissances en astronomie. Elle met en oeuvre une méthode de classification des étoiles qui tient compte de la quantité d’hydrogène dans leur spectre. En neuf ans elle découvre 59 nébuleuses, plus de 300 étoiles variables et une dizaine de novae. En 1888 elle découvre la nébuleuse de la Tête de Cheval sur la plaque photographique B2312. Malgré la difficulté à s’imposer face aux hommes, Mme Fleming sera finalement responsable d’une douzaine de femmes engagées pour la classification et les calculs, tous travaux fastidieux. Elle deviendra membre honoraire de la Royal Astronomical Society en 1906 ainsi que d’autres sociétés savantes. Un cratère de la Lune porte son nom. Elle décède d’une pneumonie à Boston.