Tras matricularse en el Actor's Studio, fue alabada por la crítica por su labor en Bus Stop (1956). Simultáneamente, en colaboración con Milton Greene, fundó la Marilyn Monroe Productions.Su protagónico más elogiado fue el Sugar Kane para la película de Billy Wilder Some Like it Hot (1959), por la que incluso ganó un Globo de Oro a la mejor actriz de comedia o musical. En sus últimos años actúo en películas como Let's Make Love (1960) y The Misfits (1960).Estuvo casada en tres ocasiones –con James Dougherty, Joe DiMaggio y Arthur Miller– y se le atribuyeron noviazgos con los hermanos Bobby y John Kennedy.Falleció el 5 de agosto de 1962 a causa de una sobredosis de barbitúricos, en circunstancias nunca esclarecidas. La primera hipótesis que barajó la justicia estadounidense fue la de suicidio, pero esta nunca pudo ser corroborada.