1960年玛丽莲与克拉克盖博合演了《不合时宜的人》，谁也不曾料这分别是他们俩的最后一部影片，停机没几天，克拉克盖博因心脏病猝发而不治身死。同年十一月她与丈夫阿瑟米勒正式分开，这次离异造成的感情创伤始终未能平复。她神经衰弱严重起来，只得进精神病院作一短期疗。一年后神采飞扬的玛丽莲接拍新片《濒于崩溃》，这是她自那张杂志裸照以来，第一次同意在片中拍裸体镜头。

　　1962年6月1日，她在剧组摄影棚里，庆祝她三十六的生日。

　　为了证明自己丰腴如初，风韵依然，玛丽莲在伯特斯特恩的摄影机前取一幅透明纱巾略事遮掩，拍下生平最后一组极有魅力的照片。八月四日一个周末的星期六，是梦露悲剧一生的高潮。这一天早晨，人们还看见她脸庞鲜艳。谁也没有料到，这是临终前的最后光彩。

　　1962年8月5日清晨，玛丽莲的女管家发现她卧室的灯还亮着，她一丝不挂地躺在床上，在她在加利福尼亚的洛杉矶刚购置的房中离开了人世。她的私人医生断定她死于凌晨3点40分。洛杉矶的验尸官后来说，她的死是因为“过量用药，是急性巴比妥酸盐中毒”。梦露去世前几天，她的医生给她开了一种烈性的安眠药巴比妥酸盐。因为在这之前，她由于未能担任一个电影角色而感到有些压力，并且有点心神不安，但很快就恢复正常了。尽管她以前曾试图自寻短见，但玛丽莲之死出现许多自相矛盾的地方，使自杀之说令人生疑。