De son véritable nom Marilyn Louis, Rhonda Fleming naît à Hollywood. Son père est universitaire et sa mère est actrice de comédies musicales. La carrière de sa mère l'inspire. Rhonda Fleming décide de se lancer à la radio, d'abord, puis dans la comédie musicale Blackouts, jouée à Broadway.

A 20 ans, la jeune femme est repérée par un chasseur de têtes : Henry Wilson. Il la présente à David O. Selznick, grand producteur, et lui demande de changer son nom de famille "Louis" par "Fleming".

La 20th Century Fox lui offre un contrat. Cette fois-ci, c'est son prénom qui pose problème. Ce dernier est bien trop commun. Rhonda lui est proposé, pour faire concurrence aux grandes stars de l'époque.

En 1945, la jeune actrice est au casting d'un film d'Alfred Hitchcock : La Maison du docteur Edwardes.

En 1946, elle tourne dans Deux mains, la nuit et La Griffe du passé.

Tout au long des années 50, Rhonda Fleming donne la réplique aux grandes stars de l'époque : Ronald Reagan (dans quatre films), Burt Lancaster (Règlement de comptes à O.K. Corral), Charlton Heston (Le triomphe de Buffalo Bill), Sterling Hayden (Le Faucon d'or), Glenn Ford (Tête d'or et tête de bois) ou Robert Ryan (La Piste fatale).

En 1980, Rhonda Fleming met un terme à sa carrière après avoir joué dans la comédie d'espionnage Le plus secret des agents secrets.

L'actrice est décédée en 2020, à 97 ans.