La date précise de construction du moulin de Fleury, élément constitutif de l'ancienne seigneurie, n'est pas connue. D'après les documents relatifs à une contestation survenue au début du 16e siècle, et conservés aux Archives nationales, il semblerait qu'un étang et un moulin aient été présents en ce lieu dès l'époque médiévale. Toutefois, un nommé Jean de Fresnes, acquéreur de la seigneurie le 29 novembre 1473, fait reconstruire le moulin à l'orée de la forêt, dans le dernier quart du 15e siècle - sans doute peu avant 1500. Parmi les bâtiments visibles sur les cartes postales antérieures à la Première Guerre mondiale, deux, que surmonte un haut toit pentu, pourraient dater de cette période. Aujourd'hui, seul celui qui abritait le mécanisme de ce moulin à blé subsiste encore, bien que modifié.

Après avoir passé aux mains de plusieurs laïcs, la seigneurie de Fleury est adjugée au profit des chartreux de Bourgfontaine le 26 juin 1531. Puis l'étang et le moulin sont loués à un meunier contre redevance. Les éventuelles modifications du site et les travaux effectués sur les ordres des chartreux n'ont pu être découverts. Toutefois, la maçonnerie du bâtiment qui sert actuellement de remise pourrait dater du 17e ou du 18e siècle.

La formation en 1770 du parc de chasse du château de Villers-Cotterêts provoque l'enfermement et l'isolement du village de Fleury à l'intérieur de cette enceinte. Désireux de réunir cette enclave à la forêt de Retz, le duc Louis-Philippe d'Orléans (1725-1785) entame des négociations avec les différents propriétaires concernés. Les chartreux de Bourgfontaine ayant accepté de céder au duc la seigneurie et la ferme de Fleury en échange d'un autre domaine, cet accord est confirmé par acte notarié le 14 mai 1783. Cet acte signale toutefois que l'étang et le moulin de Fleury, régis séparément, ne font pas partie de la cession et restent propriété de Bourgfontaine. Le dernier bail signé par les chartreux et daté du 29 juillet 1784 mentionne la maison, le moulin, d'"autres bâtiments" en dépendant, un petit jardin, des terres et des prés. Dans ce document, le bailleur se réserve la maison tenant au moulin pour se loger lorsqu'il fera vider l'étang pour en prendre le poisson.

La Révolution éclate quelques années plus tard et les biens immobiliers des chartreux deviennent biens nationaux. Le 5 avril 1791, plusieurs experts, tant en architecture qu'en meunerie, procèdent à la visite et à l'estimation du moulin. À cette date, la propriété est composée du moulin au sens strict, d'un corps de logis suivi d'une écurie, d'une petite grange, d'un poulailler et d'un fournil, ces derniers en mauvais état. L'étang qui sert de retenue d'eau pour la mouture, enfin un jardin et des prés complètent le moulin. Le 16 mai 1791, l'ensemble est adjugé pour 14200 livres à Pierre-Jacques-Nicolas Pourcelle, orfèvre à Soissons.

Le moulin reste en activité jusqu'à la fin des années 1870, comme l'attestent les recensements de population de Fleury et les monographies communales. En revanche, aux 19e et 20e siècles, peu de documents se rapportent aux constructions, à l'exception du plan-masse du moulin inclus dans le plan-cadastral de 1835 et des nombreuses cartes postales que justifie le charme du site. Les bâtiments s'y révèlent plus nombreux ou plus étendus qu'aujourd'hui. Le plan cadastral de 1835 montre en effet à l'entrée de la voie d'accès une longue construction, qui réunissait probablement une remise, une grange (?) et une maison d'habitation. Un autre bâtiment, implanté à l'extrémité de la chaussée du moulin et dont on ignore l'usage, a vraisemblablement disparu dans le courant du 19e siècle. Cependant, des étables et clapiers sont ajoutés au bout de la parcelle à la même époque et surtout, une fabrique de jardin en forme de pavillon octogonal est construite à la limite des 19e et 20e siècles.

C'est sans doute à la Première Guerre mondiale qu'il faut attribuer la disparition de la remise et de la maison d'habitation, dont témoignent les cartes postales postérieures au conflit.