1962年8月5日，
玛丽莲·梦露被发现在好莱坞的寓所内死亡，死因是过量服用安眠药。
1962年8月4日晚到5日凌晨间，女管家尤妮丝·穆芮(Eunice Murray)因发现梦露一直紧锁房门，而紧急致电心理医生拉尔夫·格里森(Ralph Greenson)，后者赶到后发现梦露已死于床上。之后警方到达现场，
洛杉矶验尸官办公室的医生将死因定为“急性巴比妥类药物中毒”，属于自杀。
很多当年卷入其中的人都坚持认为梦露死于他杀，包括当晚第一个到现场的
洛杉矶警察局警员杰克·克莱蒙斯(Jack Clemmons)。从1968年开始就不断有人围绕“神秘的
玛丽莲·梦露之死”做文章。
20世纪50年代，玛丽莲·梦露成为美国主要的性感象征。1962年8月4日晚7:00至7:15，小迪马乔打电话给她，小迪马乔回忆梦露的声音是愉快的。当晚7:30至7:45
约翰·肯尼迪的妹夫、演员
彼得·劳福德打电话给梦露，劳福德回忆，此时梦露的声音很含糊，很多字句已经听不清。当晚8:00劳福德给住在梦露客房的女管家尤妮丝·穆芮打电话，让穆芮帮忙看看梦露是否有事。几秒后穆芮回到电话机前说
玛丽莲·梦露很好。由于不放心，劳福德几乎一整晚都在给梦露打电话，但后来梦露的律师劝他尽量远离梦露住所以避免麻烦。
1962年8月5日凌晨0:00，女管家尤妮丝注意到梦露房门下透出的光，她敲门后没有得到回应。她立刻致电了梦露的心理医生拉尔夫·格里森。格里森赶到后试图破门而入，但不成功，后透过落地窗看到梦露躺在床上捧着电话，似乎已经死亡。格里森打破玻璃进入房间。电话叫来医生海曼·恩格博格(Hyman Engelberg)。1962年8月5日凌晨1:00，
玛丽莲·梦露律师米奇·鲁丁通知彼得·劳福德梦露已死。1962年8月5日凌晨4:30，警察收到报警到达现场，女管家尤妮丝和两位医生接受讯问。警察注意到房间极其整洁，床上还有新的
亚麻织物，因此怀疑尤妮丝在他们到来前做过清洗。警察还注意到床头桌上有几只小药瓶，但房间内却没有玻璃杯，水源也关了。而梦露有个很著名的特点就是即使用酒吞药也会被卡住。事后有人在房间地板上发现一只玻璃杯，但警方坚持称在他们搜索房间时并没有这只玻璃杯。1962年8月5日凌晨5:40，殡仪员盖·霍克特(Guy Hockett)到达现场。
很多当年卷入其中的人都坚持认为梦露死于他杀，包括当晚第一个到现场的
洛杉矶警察局警员杰克·克莱蒙斯。从1968年开始就不断有人围绕“神秘的梦露之死”做文章。2006年10月，在新出炉的
信息自由法影响下，FBI公布了数千页的绝密档案。2007年初，一个名叫菲利普·莫拉的作家在这浩如烟海的文档中发现了三页关键报告，其标题就叫“罗伯特·F·
约翰·肯尼迪”，内容由一位多年前为
加利福尼亚州州长工作的FBI探员所写，详细叙述了肯尼迪兄弟与
玛丽莲·梦露的恋情，并称身为美国总统的约翰·F·肯尼迪曾向梦露保证离婚后再娶她，当梦露发现他并不真想这么做时，威胁将两人的事公布于众。为了让梦露“噤声”，弟弟罗伯特·F·肯尼迪利用了这位长期服药及
酗酒患者“总是假装自杀引起公众同情”的特点，鼓励她再假装自杀，但在关键时刻没有出手挽回，而是“顺其自然”地让她死掉。涉嫌共谋的人包括罗伯特·F·
约翰·肯尼迪、肯尼迪总统的妹夫
彼得·劳福德、梦露的心理医生拉尔夫·格里森、她的女管家尤妮丝·穆芮、她的秘书兼媒体公关。在该报告的前言中，那位FBI探员声明他并不认识提供以上情报的线人，因此无法保证其真实。
1962年8月8日，由
玛丽莲·梦露前夫
乔·迪马乔操持的小型葬礼在
洛杉矶举行。只有31人被邀请参加，其中大多数是跟梦露关系最近的工作伙伴，几乎没有好莱坞明星。梦露去世之后被安葬在威斯特伍德村庄纪念公园公墓后，很多富商、名人都看重她周围的墓穴，比如《
花花公子》的老板休·霍夫纳就出高价提前买下一块，希望能在死后与她做邻居。梦露正上方的一块墓地于2009年拍出460万美元的高价。