1956年6月29日，梦露与剧作家亚瑟·米勒开始了她的第三段婚姻。当他们从英国回来后，梦露发觉自己怀孕了。然而她却因为有子宫内膜异位症，导致子宫外孕。为了保住她的生命，他们不得不选择流产。之后的第二次怀孕依然以流产告终。直到1958年，梦露非常珍惜这段婚姻。她不仅支付了米勒前妻的赡养费，且动用了自己公司的资金为米勒在英国购买了一辆捷豹汽车。米勒也专门为妻子创作了剧本《不合时宜的人》作为情人节礼物。但是在这部影片开拍时，两人的婚姻已经宣告破裂。梦露的行为和对毒品、酒精的依赖导致了婚姻的结束。1961年1月24日，两人在墨西哥正式离婚。