Những thông tin công khai cho hay, bác sĩ riêng là người đầu tiên phát hiện Monroe đã tử vong. Vị bác sĩ này khẳng định Marilyn đột tử do ngộ độc thuốc, trong khi cơ quan điều tra kết luận đây là một vụ tự tử bằng thuốc. Song, không ai có thể lý giải tại sao "quả bom tình dục" tóc vàng lại tự kết liễu cuộc đời mình vào thời điểm rực rỡ nhất của sự nghiệp. Điều đó đã dẫn đến những hoài nghi và đồn đoán chưa bao giờ dứt về cái chết của cô. Sau đó, phía cảnh sát đã vào cuộc điều tra.

Khi cảnh sát mở phòng của Monroe, họ thấy Marilyn đang nằm trên giường trong trạng thái không một mảnh vải che thân, mặt che dưới gối, trên tay cầm điện thoại, hai chân duỗi thẳng và một số lọ thuốc ngủ nằm rải rác bên cạnh giường. Theo đó, một số phương tiện truyền thông vào thời điểm đó đã đưa tin rằng "Monroe chết vì tự tử". Nếu đó là tự tử, thì lý do là gì? Không ai có thể biết được.

Eunice Murray là quản gia của Monroe và cô ấy trở thành người cuối cùng nhìn thấy Monroe. Khi bị cảnh sát thẩm vấn, Eunice Murray trở về phòng ngủ của mình vào khoảng 8 giờ tối, nhưng đến khoảng 3 giờ 25 phút sáng, người quản gia thấy đèn trong phòng của Monroe vẫn chưa tắt và vẫn không có phản ứng gì. Quản gia tiến đến gõ cửa nhiều lần nhưng không thấy động tĩnh gì liền hốt hoảng gọi tên Marilyn.

Ít phút sau, bác sĩ tâm lý của Marilyn - Ralph Greenson xuất hiện. Khi trèo qua cửa sổ để vào phòng, ông phát hiện nữ diễn viên trần truồng dưới tấm ga trải giường, tay nắm chặt ống nghe điện thoại. Tiến lại gần anh tphát hiện Monroe đã tắt thở. Thanh tra R. E. Byron, người tham gia điều tra hiện trường, sau đó nhớ lại: "Mọi thứ trong căn phòng này, tôi có thể nhớ lại, chỉ có chiếc giường, một tủ >trang điểm nhỏ và chiếc bàn đầu giường. Điện thoại trên giường."

Kể từ khi Monroe được phát hiện đã chết, khi cuối cùng khi cảnh sát gọi điện cho cảnh sát, thời gian đã cách nhau hơn một giờ đồng hồ. Theo điều này, một số tờ báo thời đó đã đưa tin phóng đại, cho rằng phải có người trong cuộc mới biết. Đối với những báo cáo dồn dập, Sở Cảnh sát Los Angeles đã đưa ra một phản ứng cứng rắn: "Đối với các bác sĩ, không có bằng chứng tội phạm nào tại hiện trường, và bác sĩ đầu tiên đã biết cô ấy đã chết. Tôi không có gì để chỉ trích họ".

Khi cảnh sát hoàn tất việc khám nghiệm hiện trường cái chết của Monroe, thi thể của Monroe đã được chuyển đến nhà xác. Tại đây, cựu Giám định Y khoa - Điều tra viên của Quận Los Angeles, Thomas T. Noguchi đã tiến hành khám nghiệm tử thi của >Marilyn Monroe. Trong báo cáo được công bố sau 12 ngày, ông Thomas đã viết: "Nguyên nhân của cái chết là do ngộ độc barbiturat cấp tính (một loại thuốc ức chế hệ thần kinh trung ương thường dùng trong các loại thuốc an thần) do dùng thuốc quá liều". Tuy nhiên, John W.Miner - cựu công tố viên của địa hạt Los Angeles hồi bấy giờ cũng có mặt khi người ta khám nghiệm thi thể của Marylin Monroe lại chưa bao giờ tin rằng Monroe tự hủy hoại cuộc sống của mình.

Marilyn Monroe đã trải qua ba cuộc hôn nhân trong cuộc đời ngắn ngủi của mình, nhưng đều không hạnh phúc. Trong số những người đàn ông mà Monroe gặp, Kennedy thường được nhắc đến và mối quan hệ giữa hai người vẫn là chủ đề bàn tán sau bữa tối. Monroe từng tâm sự: “Tôi luôn mong muốn có một tổ ấm trọn vẹn và hạnh phúc”.

Năm 2007, FBI giải mật một tài liệu về cái chết của Monroe. Tài liệu đề cập, "Monroe uống thuốc ngủ chỉ để giả vờ tự tử nhằm gây sự chú ý. Bác sĩ tâm thần của Monroe là Ralph Greenson đã thực hiện một 'sự sắp xếp đặc biệt'. Khi gặp một bác sĩ ở đó, ông ta kê 60 viên thuốc an thần cho cô".

Mặc dù Monroe đã chết nhiều năm nhưng sức ảnh hưởng của cô vẫn không hề suy giảm và di vật của cô thường được gửi với giá cao ngất trời. Có người từng nhận xét về Monroe: "Cô ấy sống trong một chiếc lồng vô hình, không ai được phép đến gần cô ấy. Sau cánh cửa đóng kín, cô ấy chết một mình, cô đơn, không ai nắm lấy tay cô ấy, và không ai gọi cô ấy bằng tên".