Ngày 5 tháng 8 năm 1962, hạ sĩ Jack Clemmons nhận điện thoại lúc 4:25AM từ bác sĩ Hyman Engelberg. Ông thông báo Monroe đã qua đời tại nhà riêng ở Brentwood, Los Angeles, California. Sergeant Clemmons là cảnh sát đầu tiên tới khám nghiệm hiện trường.[136] Nhiều nghi vấn đã được đặt ra quanh cái chết của bà.

Nguyên nhân cái chết được bác sĩ Thomas Noguchi của sở điều tra hạt Los Angeles kết luận là "nhiễm độc thuốc an thần" - một tai nạn.[137] 8 mg muối clohidrat và 4.5 mg Nembutal được tìm thấy trong thi thể sau khi giám định pháp y.[138]

Vì thiếu bằng chứng xác thực, cơ quan điều tra không thể kết luận đây là tự sát hay bị mưu sát, nhưng nhiều khả năng nghiêng về một vụ tự sát. Một vài ý kiến cho rằng anh em John và Robert Kennedy có liên quan đến sự việc, trong khi có người nghi ngờ CIA hay mafia đã nhúng tay vào.[139]

Ngày 8 tháng 8 năm 1962, Monroe được an táng trong hầm mộ tại Hành lang tưởng niệm, vị trí 24, ở nghĩa trang Westwood Village Memorial Park, Westwood, Los Angeles, California. Lee Strasberg là người đọc điếu văn đưa tiễn.