Après des études qui le destinaient à devenir banquier, Romain Fleury décide de monter à Paris pour démarrer sa carrière de comédien au Cours Florent entre 2003 et 2006. Ce sont des pièces de Feydeau qui lui offrent ses premiers rôles.

Jusqu’à 2017, il tourne dans de nombreuses webséries ou courts métrages comme Prends moi dans tes bras mais on le retrouve surtout sur les planches que ce soit dans des comédies ou des opérettes telles que Histoires de Famille, La Vie parisienne, Psy, On va vous soigner ou encore Pour le meilleur et pour le Rire dans laquelle il partage l’affiche avec Didier Gustin.

C'est en 2011 que le grand public le découvre dans la série Bref ! sur Canal+, dans le rôle de Marc. Il tourne ensuite dans plusieurs téléfilms comme L’Hôtel de la plage, mais aussi des séries comme La Loi de Marion, Camping Paradis ou encore Scènes de ménage ou le film de Xabi Molia Comme des Rois.

En 2019, il est en tournée dans la pièce de Didier Caron Le Jardin d’Alphonse et sur Canal + dans la série Pitch avec Baptiste Lecaplain.