El día 5 de agosto de 1962, a las 4:55 de la madrugada, el jefe del departamento policial de Los Ángeles, Jack Clemmons, recibió una llamada inquietante. Su interlocutor era el doctor Greenson, psiquiatra de Marilyn Monroe, y el mensaje era claro: la actriz había muerto. Clemmons fue el primero en llegar al lugar y advirtió una serie de incongruencias en los testimonios de los dos médicos y el ama de llaves, que se mostraban muy nerviosos y se habían retrasado sospechosamente en avisar a las autoridades. La escena de la muerte parecía alterada, las sábanas estaban cambiadas y limpias y el cuerpo había sido movido. Clemmons notó que, a esa hora, la señora Murray estaba lavando ropa, lo que le causó gran sorpresa. Las livideces del cadáver no coincidían con la postura antinatural en la que yacía el cuerpo. En principio, tampoco había agua ni jarra ni vaso con que hubiera podido ingerir las pastillas, hecho que el oficial de la Policía hizo notar a los médicos. Más tarde, en la escena aparecería muy oportunamente un vaso con la llegada de otros policías y forenses. La autopsia reveló que había fallecido por una sobredosisde barbitúricos.
El informe calificó la causa de la muerte como un «probable suicidio». Por falta de pruebas, muchos creen que fue asesinada. Sus médicos, Greenson y Engelberg, le recetaban diversos barbitúricos que pudieron acumularse en su organismo hasta alcanzar niveles peligrosos para la vida. Se cree que Marilyn falleció bastantes horas antes de que se diera aviso a las autoridades y que su habitación había sido manipulada y organizada convenientemente antes de la llamada telefónica. La hipótesis del suicidio distraería la atención sobre la posible responsabilidad de sus médicos personales en la muerte y los salvaría de cualquier imputación penal.
Euniece Murray, su ama de llaves, quien fue recomendada por el doctor Greenson para trabajar con Marilyn, fue entrevistada veintitrés años después y confirmó que aquella noche no conseguía dormir. Según su versión, se levantó y observó que las luces de la habitación de Monroe estaban encendidas, se encontró con la puerta cerrada con llave por dentro, por lo que tuvo que salir de la casa para observar por la ventana de la habitación a la mujer, desnuda y sin vida sobre la cama. De inmediato, telefoneó al doctor Greenson que llegaría en compañía de Engelberg hacia la medianoche o el inicio de la madrugada. Lo que hicieron los médicos y el ama de llaves horas antes de avisar a la policía se desconoce. Según Greenson, estuvieron tratando de dar aviso primero a la Fox.
Tres días después de la muerte, Joe Dimaggio su segundo esposo, celebró el funeral en privado.