玛丽莲·梦露于1962年8月5日被发现死在位于美国洛杉矶的住所，终年36岁，被洛杉矶验尸官裁定为“急性巴比妥中毒”，被列为“可能自杀”。然而许多警探，包括洛杉矶警察局到达死亡现场第一名警官杰克·克莱蒙斯（英语：Jack Clemmons）:212认为她是被谋杀的。美国司法部门并未对任何人提出任何谋杀罪指控。梦露之死成为具争议的著名阴谋论之一:157。
1962年8月5日上午4点25分，洛杉矶警察局警官杰克·克莱蒙斯（英语：Jack Clemmons）接到由梦露的心理医生拉尔夫·格林森博士打来的电话，报案说梦露死于其洛杉矶的住所。后续的验尸报告中指出，她体内有8毫克的水合氯醛及4.5毫克的戊巴比妥，因此验尸官托马斯·野口（英语：Thomas Noguchi）将死因定为“急性巴比妥中毒”，起因“有可能是自杀”。
关于其死亡的情境及时序，有许多广为流传不同的解释，包括谋杀。一些阴谋论认为约翰·肯尼迪和罗伯特·弗朗西斯·肯尼迪有涉入，另外一些阴谋论则认为美国中情局或黑手党涉嫌。1962年8月5日，梦露在洛杉矶布莱登木寓所的卧室内被发现已经去世，终年36岁，死因是过量服用安眠药。联想到之后的肯尼迪总统被刺事件，一些舆论认为梦露之死乃由于她卷入了肯尼迪家族与政治圈的黑幕。在她死亡40多年后，大多数关于她的官方调查文件仍被列为高级机密。直到2006年，根据美国《自由信息法》，FBI不得不解密了500页关于梦露的文件。历史专家才发现玛丽莲·梦露之死，可能和她记下的一本“秘密日记”大有关系。这本日记记载下了梦露和肯尼迪兄弟俩的大多数“枕边谈话”。1962年8月，肯尼迪兄弟不约而同地斩断了和梦露的来往。面对突然的剧变，玛丽莲·梦露显然也意识到了自己的危险。8月4日晚九点半，她绝望地打电话给自己的好友西德尼·吉拉罗夫，痛诉了她和肯尼迪兄弟的私情，并称她知道一些“危险的秘密”。第二天凌晨，梦露就被人发现死在了洛杉矶公寓中，颇为巧合的是，梦露“自杀”当晚，她的那本“秘密日记”也神秘地消失了。但洛杉矶地方检察官办公室否认梦露记有这样一本日记，也否认梦露之死和谋杀有关。
1962年8月8日，梦露被埋葬在洛杉矶韦斯特伍德村纪念公园公墓（英语：Westwood Village Memorial Park Cemetery）记忆走廊第24号。由李斯特斯伯格（英语：Lee Strasberg）发表悼词。由迪马乔安排的葬礼只有31位的亲友参加。
