En 1915, Fleming épousa Sarah Marion McElroy, originaire de Killala (Irlande). Leur fils devint médecin généraliste.
Sarah étant décédée en 1949, Fleming se remaria en 1953 avec Amalia Koutsouri-Voureka, une collègue grecque de l'hôpital Sainte-Marie.
Fleming fut pendant longtemps membre du Chelsea Arts Club, un club privé qui réunissait les artistes de tous genres, fondé en 1891 à l'initiative du peintre James McNeil Whistler. Fleming fut admis après avoir fait des « peintures de germes » pour lesquelles il utilisait des spores de bactéries très pigmentées. Ces bactéries étaient invisibles pendant qu'il peignait, mais prenaient des couleurs brillantes une fois cultivées.
Fleming était un fumeur irréductible et allumait sa nouvelle cigarette sur le mégot de l'ancienne.
Fleming est mort le 11 mars 1955 d'une crise cardiaque à l'âge de soixante-treize ans. Il a été enterré comme un héros national dans la crypte de la Cathédrale Saint-Paul à Londres. Sa découverte de la pénicilline avait révolutionné le monde des médicaments en ouvrant l'ère des antibiotiques; la découverte de la pénicilline a sauvé et sauve toujours des millions de personnes.
Tout le monde connaît l'histoire du père de Winston Churchill qui aurait payé l'éducation de Fleming après que le père de celui-ci eut sauvé de la mort le jeune Winston ; mais il n'y a rien de vrai. Selon la biographie due à Kevin Brown, l'Homme de la pénicilline : Alexander Fleming et la Révolution des antibiotiques, Alexander Fleming disait lui-même qu'il s'agissait « d'une bien belle fable ». Il n'a pas sauvé non plus Winston Churchill pendant la Seconde Guerre mondiale. Churchill doit sa guérison à Lord Moran, qui a utilisé les sulfamides, puisqu'il n'avait aucune expérience de la pénicilline, à l'époque où Churchill est tombé malade à Carthage en Tunisie en 1943. Le Daily Telegraph et le Morning Post du 21 décembre 1943 ont écrit qu'il avait été sauvé par la pénicilline. Il est probable que, comme les sulfamides étaient une découverte allemande et que le Royaume-Uni était en guerre contre l'Allemagne, la fierté patriotique que suscitait la miraculeuse pénicilline a quelque chose à voir dans cette erreur.