En los comienzos de 1956, Marilyn estaba en el apogeo de su carrera. Sus actitudes provocativas fuera de la pantalla y los papeles de rubia explosiva para los que era convocada hicieron que en poco tiempo figurara en la lista de las diez estrellas más populares de Hollywood. Era libre y los amantes se sucedían unos a otros. Marilyn, siempre necesitada de afecto, encontraba en el sexo una excusa para sentirse querida. Había comenzado a refugiarse en el alcohol, y tomaba pastillas para dormir por las noches y para mantenerse despierta durante el día. Tenía veintinueve años y suspiraba por un hombre al que conocía de vista: Arthur Miller. El dramaturgo, casado y con hijos, no parecía reparar en la estrella, hasta que ella se le acercó demasiado durante una fiesta. El flechazo fue instantáneo y, en poco tiempo, Arthur y Marilyn comenzaron una relación sólida y estable. En los comienzos de su noviazgo con Miller, Marilyn filmó El principe y la corista, la película en la que compartió cartel con el gran actor y director Laurence Olivier. Durante el rodaje —que se llevó a cabo en Inglaterra— Arthur la llamaba por teléfono desde los Estados Unidos todas las noches utilizando el seudónimo de "Mr. Leslie”.

Marilyn estaba ansiosa por casarse; pero Arthur Miller prefería tramitar un divorcio pacífico de su esposa y no quería provocar ningún escándalo. Atenta, cariñosa y comprensiva, la estrella tuvo la paciencia necesaria para esperar a ese hombre que tanto la atraía. El casamiento se hizo el 29 de junio de 1956. Marilyn ya conocía a sus futuros suegros y creía que por fin tendría una familia.

Si bien los primeros tiempos de la pareja fueron buenos, pronto comenzaron los problemas. Marilyn se aburría en la casa mientras Arthur se encerraba a escribir el guión de Los inadaptados; y él perdía la paciencia cada vez que Marilyn se encerraba a llorar en su cuarto, pidiendo atención. Cuatro años después de la boda, y cansado de las infidelidades y los caprichos de su mujer, en 1960 Arthur Miller solicitó el divorcio. Habían quedado atrás los tiempos en que Marilyn lo llamaba “pa” y le cocinaba sus platos favoritos.

Uno de los hechos que desencadenaron la crisis definitiva de la pareja fue la aventura amorosa de Marilyn con el actor Yves Montand, con quien compartió cartel en la película El multimillonario. Tanto Arthur Miller como Simone Signoret —la mujer de Montand— soportaron estoicamente el publicitado romance hasta que Montand se cansó de Marilyn y volvió con su esposa. El divorcio de Arthur Miller fue demasiado para el frágil carácter de Marilyn; y sólo después de una serie de crisis depresivas y de un par de intentos de suicidio, logró estabilizarse. 

En 1962, teniendo en cuenta que el informe policial calificó la causa de la muerte de ella  como un «probable suicidio» por falta de pruebas, muchos creen que fue asesinada.