1926-ban Los Angelesben született Norma Jean Baker néven. Apját, bizonyos Edward Mortensont sohasem ismerte, mert születése előtt eltűnt, így anyja korábbi férje nevét írták be az anyakönyvbe. A kislány úgy nőtt fel, hogy nem tudta biztosan, ki is az apja: akinek nevét viseli, egy Stanley Gifford nevű filmügynök vagy Clark Gable, ahogy azt anyja állította. A filmvágóként dolgozó anya élete nagy részét elmegyógyintézetben, Norma Jean gyermekkorát nevelőszülőknél, árvaházakban hányódva töltötte, állítása szerint többször meg is erőszakolták. Az iskolákból kimaradt, s hogy a nyomorból meneküljön, tizenhat évesen férjhez ment. A második világháború idején egy repülőgépgyárban dolgozott, itt fedezte fel egy fotós, így kezdődött modellkarrierje.
A háború után elvált, filmszerződést kapott, haját kiszőkítette és felvette a Marilyn Monroe nevet. Mielőtt kamera elé állhatott volna, új frizurát kreáltak neki, megtanították öltözködni, viselkedni, kicsit még színészkedni is, de sorozatban öt filmje bukott meg. Monroe átmenetileg visszatért a kifutókra és 1949-ben elvállalta a híres-hírhedt aktnaptárat. (A képek 1953-ban a Playboy magazinban jelentek meg, először róla közöltek az újság közepén kihajtható képet.) 1950-ben aztán az Aszfaltdzsungel és a Mindent Éváról című filmekben a nézők megismerték, megszerették - már ekkor több szerelmes levelet kapott, mint a nagy sztárok.
A népszerűség csúcsaira 1953-ban a Niagara és a Szőkék előnyben című filmek röpítették. Habkönnyű komédiák sora következett, a Hét év vágyódásban produkálta a híres jelenetet, amikor a metrószellőző fölött a szél felfújja szoknyáját. Ő lett Amerika szexszimbóluma, milliók bálványa, akit Joe DiMaggio, a baseball legnagyobb csillaga vett feleségül. (Rendhagyó nászútjuk Koreába vezetett, ahol Marilyn négy nap alatt tízszer lépett fel az ott állomásozó amerikai katonák előtt.) A házasság csak kilenc hónapig tartott, de exférje élete végéig kitartott mellette.
A színészi képességeiben élete végéig kételkedő Monroe úgy érezte, hogy a film felfalja lelkét, idegessége súlyos fizikai tüneteket produkált. Bizonytalan énje a szerepekbe könnyen illeszkedett, de a forgatásokról órákat késett, mindenkivel összeveszett, szövegét elfelejtette. Billy Wilder rendező azt mondta róla: "A legnagyobb sztár lehetne, ha pontosabb lenne... Igaz, az én nagynéném nagyon pontos, de senki sem fizetne azért, hogy a moziban láthassa".
Monroe a szexbomba szerepét megelégelve egy év szabadságot vett ki, hogy a híres New York-i Actor's Studióban képezhesse magát. (Állítólag ekkor Rainier monacói herceg őt is számba vette lehetséges feleségként, választása végül azért esett Grace Kellyre, mert ő katolikus vallású volt.) Monroe nem hiába fáradozott, 1956-ban a Buszmegállóban bebizonyította, hogy drámai szerepet is el tud játszani. Ugyanebben az évben ismét férjhez ment, a híres drámaíró Arthur Millerhez, akinek kedvéért a zsidó hitre is áttért. A forgatás továbbra is rémálom maradt vele, de egyre érettebb színésznő lett - 1957-ben Angliában a színészkirály Laurence Olivier-vel forgatta A nagyherceg és a táncosnő című filmet. A két főszereplő olykor ökölre is ment egymással, a filmet azonban - legalábbis Angliában - jól fogadták. (A forgatásról készült az Egy hét Marilynnel című film 2011-ben, a Marilynt alakító Michelle Williams Goldon Globe-díjat érdemelt ki.)
Monroe ekkor már az alkohol és a tabletták rabja volt, többször elvetélt, házassága megromlott. 1959-ben, gyógyszerekkel teletömve készítette a pályafutása legnagyobb sikerét hozó Van, aki forrón szeretit Tony Curtis és Jack Lemmon társaságában. A komédiában élete alakítását nyújtotta, de partnerei idegeire ment tévesztéseivel. Következő filmje és következő flörtje a Szeressünk! volt Yves Montand-nal: most higgadtabb volt, de rosszul játszott. Már a szétesés szélén forgatta 1961-ben a Kallódó embereket, Miller, akitől már válófélben volt, naponta átdolgozta a forgatókönyvet. A film befejezése után Monroe partnere, Clark Gable - akihez igaz érzelmek kötötték - meghalt, Monroe egyre nehezebben tudott megküzdeni démonaival.
Depressziója miatt kórházba is került, ám ismét régi önmagát idézte, amikor 1962 májusában ő köszönthette John F. Kennedy elnököt annak születésnapi partiján. A köszöntés olyan jól sikerült, hogy románc szövődött közte és az elnök között, sőt annak Robert fivérével is hírbe hozták. (Három házassága mellett számtalan futó viszonya volt többek között Marlon Brandóval, Frank Sinatrával, a rendező Elia Kazannal.) Utolsó főszerepe a Valamit adni kell című vígjáték lett volna, de megbízhatatlansága miatt forgatás közben menesztették, s egyetlen új szerződésajánlatot sem kapott.
A még mindig csak 36 éves Monroe ágyban fekvő meztelen, a telefont markoló holttestét 1962. augusztus 5-én reggel fedezte fel bejárónője. A hivatalos vizsgálat altató-túladagolást állapított meg a halál okaként, de ezt kevesen hitték el, azóta is számtalan összeesküvés-elmélet látott napvilágot. Sírhelyét a Playboyt kiadó Hugh Hefner fizette, a gyászbeszédet Lee Strasberg, az Actor's Studió alapítója tartotta.
Monroe filmjei még életében 200 millió dollárt hoztak, legendája ma sem halványul. Rajongói közé tartozott Albert Einstein, Jean-Paul Sartre, számos híresség - Madonna, Lady Gaga, Gwen Stefani - utánozta imázsát, az ezredfordulón a Playboy, a People és az E! Online magazin szavazásán is őt választották az elmúlt évszázad legszexisebb nőjének.