Con el romance finalmente concretado, la estrella de «Some Like It Hot» y el autor de «Death of a Salesman» -diez años mayor que la actriz- se casaron en la oficina de un juez de paz en White Plains, en el estado de Nueva York.
Pocos días después, el 1 de julio, celebraron una ceremonia de casamiento judía.
Arthur Miller «pensaba que yo era una especie de ángel», dijo alguna vez Marilyn
A pesar del amor y de la admiración mutua, después de cinco años el matrimonio se desmoronó. Entre las principales causas, además de infidelidades, Marilyn se culpaba a sí misma por los abortos espontáneos que sufrió en 1957 y 1958, probablemente a causa del abuso de drogas y alcohol.
La estrella era consciente de sus propios demonios. En una carta que le escribió a Lee y Paula Strasberg, la actriz confesó que Miller «pensó que yo era una especie de ángel», pero después se dio cuenta de «que estaba equivocado».