這次晚會後幾個月，肯尼迪住院動手術，前來探望的客人們頗有興趣地發現在其病房牆上倒貼著一張夢露的彩色海報，頭朝下，短裙裹著叉開的雙腿。
1955年初，當法院還沒有就夢露和馬吉歐的窗體頂窗體底端離婚案做出判決時，她就多次與肯尼迪約會，直到總統選舉。她和第三任丈夫米勒爭吵後，常常會離開他們的康涅狄格州農場，駕車去曼哈頓與肯尼迪約會。他總是喜歡對她講些淫蕩的故事，還動手動腳，在飯店進晚餐時，他的手指總是在她裙子底下滑動……肯尼迪當選總統後，夢露更成了肯氏家族共進夜宵的常客。
夢露曾向朋友詹姆斯透露，那時她和肯尼迪開過房間。“我並不認為肯尼迪將此事看得很重！”詹姆斯說，“但是夢露卻對這看得很重，特別是他當了總統後，她還是緊追不舍。”
兩人真正的熱戀始於1961年勞福德舉辦的那次豪華聖誕晚會上。當時夢露正日漸消沉。他們抓住傑奎琳正在東海岸度假的時機，從燈火輝煌的窗體頂端窗體底端客廳中溜出來，雙雙進入勞福德家中最大的一間臥室。沐浴之後，兩人同床共枕歡愛了1個小時。事後私家偵探弗雷德·奧塔什聲稱，他安裝在勞福德家中的竊聽器捕捉到了他們之間極其火爆的調情和做愛場麵，他暗示：“他們甚至討論了國家機密。”
在棕櫚泉與總統同床時，夢露還抽空給按摩師打電話：“拉爾夫，你跟我身邊這個人說幾句吧。”拉爾夫從話筒裏聽到“這個人”緊張得說不出話來。原來肯尼迪要請教如何通過按摩來治療背痛，他在二戰中背部受過傷，一直沒有痊愈。掛上電話後，夢露對肯尼迪開玩笑說：“拉爾夫給你按摩一定比我好，他是專業的。”總統嬉笑道：“那滋味可不一樣。”
很快，兩人的浪漫故事四處流傳。夢露經常戴著假發、墨鏡，拿著速記本，扮作秘書與肯尼迪約會。1962年初，他們在卡萊爾大酒店共度良宵，此後他們常常在那裏見麵，然後去聖莫尼卡沙灘上偷歡。那時，他倆的關係已被美國情報部門掌握。
有記者曾目睹他們在夕陽中挽手並肩而行；另外有記者注意，總統臥室裏時不時有個淡金色頭發女人在掀開窗簾向外張望。一位民主黨人菲利普·沃森當時參加過一個夢露非正式地扮演女主人角色的晚會，他後來評論道：“總統和夢露的親密關係已不是什麼新聞，大家都知道，晚會後她是要留下來過夜的。”
但是，據英國《每日快報》2006年報道，著名傳記作家凱斯·巴德曼在一本關於夢露的新傳記中披露，她和肯總統的關係根本不像外界想像得那麼複雜，他們倆最多隻有過“一夜情”。那是1962年3月24日，他們都住在加州帕姆斯普林市美國歌星賓·克羅斯比的住宅裏。巴德曼研究發現，除了那次外，夢露和肯尼迪再沒有第二次機會私下呆過一整晚。“除了那次外，他們的行程時間表就像兩條平行線一樣，幾乎再未交叉到一起。”
白宮攝影師斯托頓也曾拍到肯尼迪與夢露在一起聚會的照片，應該就是1962年5月19日那次。當時他們都在麥迪遜廣場花園裏，夢露亮開沙啞嗓音深情地給總統唱歌，祝他生日快樂。夢露打扮得非常漂亮，穿一件價值1．2萬美元的華貴低胸禮服，吸引了所有人目光。她還送他一塊勞力士金表，在背麵鐫刻下自己的心聲：“傑克（肯尼迪昵稱），夢露永遠愛你。”表盒上有一首情詩：“讓相愛的人呼吸他們的歎息，讓玫瑰盛開、音樂響起，讓激情焚燒我們的嘴唇和眼睛。讓我愛你，否則不如死去！”後來他們又站在一個書房裏，似乎交談著什麼，夢露臉上露出燦爛的笑容，足可證明他們的關係非同一般。總統弟弟羅伯特部長也在場。
隨著兩人感情熾熱化，勞福德說，夢露已不能自拔，“幾乎迷上傑克。她給自己編織了許多夢幻，有的簡直是妄想：她想取代傑基（傑奎琳）成為第一夫人，想跟肯尼迪生孩子。她除了是妄想狂外，還是個卑鄙的小娼婦。她曾直接打電話給傑基，要傑基把位子讓出來。”她還與按摩師拉爾夫、製片人艾倫等人傾訴過這一夢想。但在肯尼迪得知他倆私通的行為至少已有一次被錄音（其中不僅有他倆的隱情，據說還有夢露受黑社會買通向總統套來的政壇內幕）時，便斷絕和她來往。
風流成性的總統在與夢露約會的同時，還與幾十個各色女子保持著不正常關係。總統妹妹帕特說：“她（夢露）與總統的這種關係是她一生中最嚴酷、最可怕的關係。夢露沒有搞清楚，肯尼迪和她共眠不是出於愛慕而是出於虛榮，他想擁有當今最性感的電影明星，她對他隻是一個性象征，別無他求。”用羅伯特的話說，夢露隻是“傑克的又一個玩偶”，“把她甩掉不費吹灰之力”。就是5月19日那個夜宴，從肯尼迪那種貌似殷勤實際傲慢的態度也可看出，夢露隻不過是一件獻給總統的生日禮物。
但夢露無法接受分手，便不斷寫信和打電話給肯尼迪，甚至提出要找報社。受到來自政敵方麵威脅的肯尼迪隻好將羅伯特派去做她的工作，勸她打消非分之想，解除情人關係。羅伯特本來就與夢露關係非比一般，在勸慰的過程中，為其難以抗拒的魅力所俘獲，他們又發展成為情侶，躺到了一起。此時福克斯公司解雇了她，不久羅伯特也從她身邊撤退。此年7月20日，夢露曾在洛杉磯醫院偷偷做了墮胎手術。看來3人都是在玩火啊！一場飛蛾撲火般的危險遊戲。
8月4日羅伯特再赴夢露之邀。他曾承諾與妻子離婚後即娶她，但不過是開的“空頭支票”，夢露自己後來也明白了。她要求羅伯特陪她一下午，遭到拒絕後兩人發生爭吵。一怒之下，夢露說要將肯氏兄弟的那些私生活醜聞、政治陰謀、國家機密公布於眾。而且她還曾觀看過太空外星生物檔案。羅伯特並未因受到她威脅而服軟，態度反而更強硬。他明確告訴夢露，不要再來糾纏，不許再打電話，不許再寫信，他們也不願再聽她的。兄弟倆不斷更改電話號碼，不理睬她的來電、來信、留言。但夢露不能接受這一事實，仍頻頻找上門去，還多次揚言要把這段婚外情曝光……
夢露在感情上很投入，總自欺欺人地認為羅伯特對她是真心的。她已成了肯氏兄弟及家族實現政治理想道路上的絆腳石。她那無視現實的瘋狂勁不是常人所有的，肯氏兄弟不能不采取相應措施……
翌日早晨，夢露死於家中。當警察接到一個匿名電話（一說就是她私人醫生）後趕到現場時，發現“一切都策劃過，屍體僵硬而不自然地陳列著，那絕不是自然死亡的姿勢”。文件櫃中與電影公司有關的文件以及日記、備忘錄和書信都不見了，涉及美國第一家庭的通話記錄和電話簿也都不翼而飛。
藥毒專家在夢露體內發現致命劑量的巴比妥酸鹽和水合氯醛。其巴比妥酸鹽即寧比泰的含量高達4．5％，這麼大藥量足以使3個人喪命。這不可能是口服，極有可能是1次或2次大劑量注射。夢露死後幾小時裏，她的管家“清理了房間”。她不僅清洗了所有衣服、床單和桌布，處理了所有食物和酒，而且扔掉了成堆垃圾。
夢露的死被作為頭條新聞刊出。羅伯特正帶著全家到西雅圖參觀世界博覽會。報社就此事采訪傑奎琳時，她說：“她將一去不複返。”
於是有人說，是肯氏兄弟手下為封口謀殺了夢露，並製造了偽自殺現場。她的死因一直眾說紛紜，大多數關於她的官方調查文件被列為高級機密。隨著1962年時任總統遇害，1968年下任總統競選人遭刺，一切有關肯氏兄弟謀殺夢露的事實便再也無從考證。1982年此案曾欲重新審理，但最終還是落得證據不足無法立案的結果。
卡爾波齊曾是夢露生前的傳記作者，兩人私交很好。夢露死後，他進行過長達10年的追查。結果發現，夢露的私人護士莫瑞在出席完她的葬禮後，不久便秘密飛往肯尼迪家族的麻省寓所。卡爾波齊在1973年找到莫瑞對質，她透露了很多秘密。卡爾波齊於2000年去世，其即將完成的著作《機密的夢露》中指出：夢露之死正是肯氏兄弟的“傑作”。哥哥怕她將自己與黑手黨的內幕透露出去，弟弟則怕她為自己墮胎的事被人發現從而斷送政治前途，因此決定殺人滅口。執行謀殺行動的是夢露的心理醫生格林森，而護士莫瑞被安排照顧她，並將其一舉一動向格林森彙報。勞福德則負責將所有與肯氏兄弟有關的證據銷毀，並製造偽自殺現場。包括清理房間的管家等人，事後都得到了很高的經濟回報。