Не успев расторгнуть брак с Ди Маджо, Мэрилин заговорила о новом замужестве. Ее следующим избранником стал известный американский кинодраматург Артур Миллер. «Он увлек меня тем, что умен, — признавалась актриса в одном из многочисленных интервью. — У него ум сильнее, чем у любого из мужчин, которых я когда-либо знала. Он понимает и поощряет мое стремление к самосовершенствованию». Принимая ухаживания Артура Миллера, Мэрилин, как и прежде, не отличалась постоянством в любви. В это же время она сблизилась с одним из самых знаменитых киноактеров тех лет Марлоном Брандо. Их любовные отношения постепенно прекратились, так как Мэрилин приняла решение предать гласности свой роман с Миллером, но дружбу с Брандо она поддерживала до конца своих дней.
Брак с Миллером, продлившийся почти 5 лет, стал самым продолжительным замужеством кинозвезды. Так долго бок о бок она не жила ни с кем из других мужчин. Несмотря на сложность семейных отношений, Мэрилин не раз говорила о том, что испытывала к мужу искреннюю любовь и благодарность: «Я люблю мужчину, а не его ум. Артур Миллер, который привлек меня, был человеком, излучавшим тепло и дружелюбие. Артур помог мне переделать себя. У меня всегда была неуверенность в себе. Артур помог мне преодолеть это чувство». В браке с ним Мэрилин впервые в жизни чувствовала себя защищенной — «словно она после холода очутилась в тепле». Но и этот союз, в котором она, казалось, обрела счастье в любви, не оправдал ее надежд. В конце концов супруги поняли, что только разыгрывают «гармоничный с виду брак». Годы спустя Мэрилин с горечью заметит: «Я не привыкла ощущать себя счастливой, поэтому никогда не относилась к счастью как к само собой разумеющемуся. Знаете, я думала, что брак способен сделать это». Закат брачного союза Монро с Миллером наступил после того, как актриса начала сниматься в фильме «Займемся любовью» вместе с французским киноактером Ивом Монтаном, который стал ее очередным любовником. После развода Мэрилин чувствовала себя опустошенной и одинокой.
Личная трагедия Монро усугублялась еще и тем, что она так и не смогла иметь детей, о чем очень сожалела. В браке с Артуром Миллером она очень хотела иметь ребенка, но все ее беременности заканчивались выкидышами. По признанию самой Мэрилин, к 29 годам она сделала тридцать абортов. Тоска по нерожденным детям привела к тому, что актриса много времени и средств тратила на благотворительность и помощь сиротским приютам. Всю жизнь она была очень привязана к детям своих мужей и любовников, бережно храня у себя их фотографии. Артур Миллер говорил: «Чтобы лучше понять Мэрилин, нужно увидеть ее среди детей. Они ее любят. В ее отношении к жизни есть что-то от их простодушия и прямолинейности». «Одинокий, заброшенный ребенок» всегда жил в Мэрилин, беззащитной и уязвимой. Режиссер Джошуа Логан однажды сказал о Монро: «Меня начинают душить рыдания, когда я по-настоящему думаю о ней, мне кажется, ей в жизни не выпало и двух дней счастья или удовлетворения, если не считать времени, когда она работала».
Со временем ее внутреннее одиночество и неудовлетворенность собой и собственной жизнью привели к тому, что окружающие стали всерьез беспокоиться о психическом здоровье Мэрилин. «Она была больна, — вынес свой вердикт давний друг актрисы Норман Ростен, — и не только физически и психически, но больше всего была больна ее душа, основной источник желаний. В ее глазах не было света». С юных лет Мэрилин Монро постоянно преследовали мысли о смерти, несколько раз она пыталась покончить жизнь самоубийством. «Дайте мне умереть. Я хочу умереть. Я заслужила смерть. Что я натворила со своей жизнью? Кто у меня есть?» — говорила она, в очередной раз оказавшись на пороге отчаяния. С 28 лет Мэрилин Монро находилась под присмотром психиатра. По свидетельствам близких, в ту пору, когда созданный Голливудом образ актрисы поднимался все выше, в реальной жизни она «медленно сползала к поражению»: «Она уже была не девушкой из мечты, а женщиной тридцати двух лет от роду, употреблявшей алкоголь, да еще в чрезмерных дозах, женщиной, которая к тому же знала, что пропадает». Мэрилин стала не только много пить, но и вовсю злоупотребляла барбитуратами и наркотикосодержащими медикаментами. Все это сказывалось и на ее личных отношениях с людьми, и на профессиональной деятельности. Один из режиссеров, снимавший актрису, сказал: «…С Мэрилин было трудно потому, что она совершенно непредсказуема…»