Fleury rejoint en 1837 le corps de Spahis en Algérie, où il se distingue. Il est rapidement nommé lieutenant (1840), puis capitaine (1844). De retour en France en juillet 1848 après sa nomination comme chef d'escadrons, il rejoint avec enthousiasme les rangs du parti bonapartiste et la cause de Louis-Napoléon Bonaparte.
En 1851, Fleury prend part à l'expédition en Kabylie. Il est parmi les proches du futur empereur dans les préparatifs et l'exécution du coup d'État du 2 décembre 1851 (il est blessé à la tête dans les événements qui suivent).
Dès la défaite française à la guerre franco-allemande de 1870 et la chute de l'Empire, il abandonne ses fonctions et s'exile en Suisse avec sa famille. Il abandonne alors toute fonction publique. Il meurt le à Paris et est enterré au cimetière du Père-Lachaise (26e division).
Le général comte Émile Fleury laisse trois fils : Maurice (1856-1921), comte Fleury, chroniqueur mondain au Gaulois (sous les noms de plume de Boisfleury ou de Valfleury[4]), Adrien (1857-1925), colonel et vicomte Fleury, et Émile (1864-1947), baron Fleury.
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