Szülei cseh származású tanárok voltak. Marilyn születésekor apja vasúti tisztviselőként, anyja egy gyárban dolgozott. Tanárai szerint elég nehezen kezelhető lány volt, viszont tehetsége, rajzkészsége hamar megmutatkozott. Ösztöndíjjal a chicagói művészeti iskolában volt középiskolás. Az iskola mellett különböző munkákat vállalt. Volt modell, de például egy hűtőgépgyár háziasszonya is.
Húszévesen Los Angelesben beállt statisztálni. Felfedezte egy filmes ügynökség, és 1954-ben a Columbia Pictures leszerződtette. Rita Hayworth helyére szánták, akivel jogvitájuk volt.
Platinaszőkére festették. A Columbia első számú erotikus sugárzású figuráját csinálták belőle. Első jelentős szerepét 1955-ben Otto PremingerAz aranykezű férfi című filmjében játszotta. Frank Sinatra volt a partnere. A Fickós Joey című zenés filmben Sinatra és Rita Hayworth mellett alakított nagyszerűen.
1958-ban vele készítette Alfred Hitchcock a Szédülést. A hatvanas években szinte folyamatosan vásznon volt. Később visszautasította például az Álom luxuskivitelben főszerepét, amiben így Audrey Hepburn ragyogott. Utolsó filmje az 1991-es Szédítő végzet nagyot bukott.
Állatorvos férjével Oregonba vonultak vissza. Az Empire magazin a filmtörténet száz legszexisebb sztárja közé választotta.