Rhonda Fleming, właściwie Marilyn Louis, urodziła się 10 sierpnia 1923 roku w Hollywood w Los Angeles jako córka Harolda Louisa, sprzedawcy ubezpieczeń, oraz Effie Graham, byłej aktorki scenicznej. To matka wspierała jej artystyczne ambicje i zachęcała do kariery w branży filmowej. Fleming ukończyła Beverly Hills High School i początkowo pracowała jako modelka. Została odkryta przez wpływowego agenta Henry’ego Willsona, a jej pierwszy znaczący kontrakt podpisał z nią producent David O. Selznick, co umożliwiło jej debiut w filmie Alfreda Hitchcocka „Spellbound” (1945).
W latach 40. i 50. stała się jedną z najbardziej rozpoznawalnych gwiazd Hollywood, szczególnie w epoce Technicoloru, zyskując przydomek „Queen of Technicolor” dzięki charakterystycznym rudym włosom i fotogenicznej urodzie. Występowała w filmach noir, westernach i melodramatach. Jej rola w „Out of the Past” (1947) u boku Roberta Mitchuma uchodzi za jedną z najbardziej wyrazistych kreacji typu femme fatale w historii gatunku. Zagrała również w musicalu „A Connecticut Yankee in King Arthur's Court” (1949) z Bingiem Crosbym, samodzielnie wykonując partie wokalne, co potwierdziło jej talent śpiewaczy. Do innych znanych filmów należą „Gunfight at the O.K. Corral” (1957) oraz „The Big Circus” (1959).
Była sześciokrotnie zamężna. Jej pierwszym mężem był Thomas Lane, z którym miała syna Kenta Lane’a (ur. 1941). Trzecim mężem był aktor Lang Jeffries (ślub w 1960 roku). W późniejszych latach jej piątym mężem został producent i przedsiębiorca Ted Mann, właściciel Mann’s Chinese Theatre. Po jego śmierci Fleming poświęciła się działalności filantropijnej, zakładając Rhonda Fleming Mann Clinic for Women's Comprehensive Care przy UCLA, co stało się jej najważniejszym społecznym dziedzictwem.
Rhonda Fleming zmarła 14 października 2020 roku w Santa Monica w Kalifornii w wieku 97 lat. Przyczyną śmierci były naturalne przyczyny związane z podeszłym wiekiem. Została pochowana na cmentarzu Hillside Memorial Park w Culver City w Kalifornii.
Pozostaje jedną z ikon złotej ery Hollywood – aktorką łączącą klasyczną urodę, talent dramatyczny i wokalny oraz działalność charytatywną, która wykraczała daleko poza świat kina.