23 декабря 1915 году Александр Флеминг женился на опытной медицинской сестре Саре Марион Макэлрой, ирландке по происхождению. У них родился сын. В 1949 году Сара умирает, оставив Александру, их единственного сына, Роберта Флеминга, ставшего впоследствии врачом-терапевтом.

9 апреля 1953 года Александр Флеминг снова вступает в брак. На этот раз с доктором Амалией Куцури-Вурекас, своей греческой коллегой по госпиталю Святой Марии, ученой, с которой был связан на протяжении в ей жизни.