Marilyn egy évig járt Arthur Miller, Amerika nagy drámaírója után, akivel 1956-ban házasságot kötött, és kedvéért a zsidó hitre is áttér.

1956-ban házasodtak össze, de 1961-ben már elváltak útjaik. Ebben minden bizonnyal szerepe volt annak is, hogy a  Marilyn nem tudott szülni – Millertől két gyermek is megfogant, ám mindkettőt elvetélte. Lehet persze – és Arthur erre gyanakodott –, hogy a gyógyszer- és alkoholfüggőség okozta mindezt. Vagyis ha Marilyn jobban törődött volna önmagával, az életével, az életükkel, a családjával és megszületendő gyermekeivel, talán megmenthető lett volna a házasság is.

Amikor Marilyn másodszor is elvetélt, Miller számára betelt a pohár. A kapcsolat kiüresedett, már csak veszekedni tudtak, vagy azt sem. Megesett, hogy hetekig nem is látták egymást. Monroe hol Hollywoodban filmezett, hol másfelé járt. Miller a drámáiba menekült, színházakban töltötte napjait, megnézte a próbákat is, csak hogy ne kelljen otthon lennie, ha olykor-olykor Marilyn véletlenül hazajött. Marilynben volt annyi józanság, hogy belássa: ez a házasság jórészt neki köszönhetően ment tönkre. De erre nem azzal reagált, hogy mit lehetne-kellene változtatni, megjavítani – hanem még több tablettát szedett és még többet ivott bánatában.
1961 vége felé közös megegyezéssel elváltak. Miller hamarosan újranősült, Marilyn pedig egyre magasabb körökbe került, szerelmi kalandba bonyolódott Kennedy elnökkel és az öccsével. Aztán alig tíz hónappal a válásuk után - 1962. augusztus 5-én - az akkor mindössze harminchat éves Marilyn Monroe meghalt.

Miller nem ment el volt felesége temetésére. Ő már korábban elvágta a szálakat, véglegesen. Arthur Miller mélyre temette magában sikertelen házasságát a színésznővel, s igyekezett még csak nem is említeni őt többé.