W początku lutego 1952 poznała Joego DiMaggio, słynnego baseballistę, a 14 stycznia 1954 po raz drugi wyszła za mąż. 27 października 1954, po 274 dniach burzliwego małżeństwa (ona niewierna, on zazdrosny) rozwiedli się. 29 czerwca 1956 po raz trzeci wyszła za mąż za Arthura Millera, dramaturga, dokonując konwersji na judaizm reformowany. W trakcie najdłuższego małżeństwa dwukrotnie poroniła. 29 października 1956 uczestniczyła w dorocznej gali z udziałem Elżbiety II w Empire Theatres w Londynie. 20 stycznia 1961, po przeszło czterech latach małżeństwa, para rozwiodła się. Rozstanie przypieczętowali wspólnym filmem (o sobie) Skłóceni z życiem, którego scenariusz napisał Miller, a wystąpiła w nim Marilyn.