Στη διάρκεια της κατοχής η Αμαλία επέστρεψε στην Ελλάδα (αφού το Παρίσι βρισκόταν ήδη στα χέρια των Γερμανών) και συμμετείχε ενεργά στην Εθνική Αντίσταση. Λέγεται ότι βοήθησε τόσο οικονομικά, δίνοντας τα χρήματα που κέρδιζε από το νοσοκομείο στο οποίο δούλευε, όσο και πιο πρακτικά, βγάζοντας πλαστές ταυτότητες για τους Εβραίους και κρύβοντάς τους στο σπίτι της.
Με το τέλος του πολέμου, αποδέχθηκε την υποτροφία του Βρετανικού Συμβουλίου για να εργαστεί ως ερευνήτρια εκτός συνόρων. Μάλιστα η ίδια είχε αναφέρει σε συνέντευξή της αρκετά χρόνια αργότερα: «Από τους 45 υποψήφιους κατάφερα να βγω πρώτη. Τότε δεν έπαιζε ρόλο μόνο το πτυχίο του πανεπιστημίου, αλλά και η διαγωγή μας στη διάρκεια της κατοχής»
Η ίδια επέλεξε να εργαστεί στο πλευρό του Σκωτσέζου Αλεξάντερ Φλέμινγκ καθώς η ανακάλυψη της πενικιλίνης και το Nόμπελ Iατρικής το 1945, έκαναν τον επιστήμονα ιδιαίτερα ακαταμάχητο και ως γιατρό αλλά και (όπως φαίνεται) ως άντρα. Μεταξύ τους αναπτύχθηκε, εκτός από αμοιβαίο σεβασμό, και μια έλξη. Ωστόσο τα πράγματα για τον Αλεξάντερ Φλέμινγκ ήταν πολύ δύσκολα καθώς ήταν παντρεμένος.
Το 1949, η Αμαλία επέστρεψε στην Ελλάδα για να αναλάβει τη διεύθυνση του Ευαγγελισμού. Την ίδια χρονιά ωστόσο πέθανε και η σύζυγος του Φλέμινγκ. Η Αμαλία προσκάλεσε τον Νομπελίστα για έναν κύκλο διαλέξεων στην Ελλάδα και ο έρωτας αναζωπυρώθηκε. Το 1953 ο Φλέμινγκ επέστρεψε και πάλι στην Ελλάδα και αυτή τη φορά αντί για «αντίο» της πρότεινε να τον παντρευτεί. Και, όπως εξομολογείται η ίδια αργότερα, «βιάστηκα τόσο πολύ να πω «ναι» που αισθάνθηκα εξαιρετικά αμήχανη». Οι βρετανικές εφημερίδες έγραψαν ότι ο Φλέμινγκ παντρεύεται μια Ελληνίδα Καρυάτιδα, αφού η φήμη για την κομψότητα και την αισθητική της λαίδης Φλέμινγκ περνά τα σύνορα της Βρετανίας.
Ο γάμος τους έγινε το 1953 αλλά κράτησε μόνο δύο χρόνια. Ο σπουδαίος επιστήμονας Αλεξάντερ Φλέμινγκ πέθανε το 1955. Αν και δεν τον χρησιμοποιούσε, είχε τον τίτλο της Λαίδης, καθώς ο Φλέμινγκ ήταν Ιππότης (Σερ).