Marilyn falleció el 5 de agosto de 1962 a los 36 años en condiciones poco claras que fueron tratadas con suma discreción. La actriz fue presuntamente encontrada por Eunice Murray, una empleada doméstica quien en su declaración señaló que un día antes del suceso, Robert Kennedy (hermano menor del presidente de los Estados Unidos John F. Kennedy), visitó a la actriz.
En la madrugada, la empleada encontró a Marilyn muerta en su cuarto y dio aviso a las autoridades. La causa de la muerte oficial fue suicidio por ingesta excesiva de barbitúricos y somníferos, medicamentos que dicen, solía tomar.