Chicagóban, Marilyn Pauline Novak néven egy Csehországból emigrált vasúti munkás családjában.
Tanárai szerint elég nehezen kezelhető lány volt, viszont tehetsége, rajzkészsége hamar megmutatkozott. Ösztöndíjjal a chicagói művészeti iskolában volt középiskolás. Elvégzett egy modelltanfolyamot, de az általa elképzelt karrier még nagyon messze volt. Mielőtt egymásra találtak Hollywooddal, volt eladó, liftkezelő és egy hűtőszekrénygyár háziasszonya. Utóbbi minőségében kisebb ismertségre tett szert, így kezdődhetett meg filmes pályafutása. 1954-ben a Columbia Pictures leszerződtette. Rita Hayworth helyére szánták, akivel jogvitájuk volt. Barna haját platinaszőkére festették, két keresztnevét törölnie kellett, vezetéknevét azonban nem engedte megváltoztatni. Első jelentős alakítását 1955-ben Otto Preminger Az aranykezű emberében nyújtotta melyben partnere Frank Sinatra volt. Még ebben az évben Joshua Logan Piknik című filmjében is sikert aratott. Néhány filmben azt is bebizonyíthatta, hogy gazdag színészi eszköztára, sőt humorérzéke is van. Sokoldalúságát igazolta a húszas évek népszerű sztárjának életútját bemutató Jeanne Eagels címszerepe, és a Billy Wilder rendezte Csókolj meg, tökfej! című vígjáték melyben Dean Martinal komédiázhatott. Alfred Hitchcock Szédülés című thrillerjében James Stewart oldalán játszott kettős szerepet, remekül. A hatvanas évektől karrierje megbicsaklott, nem kis részben azért, mert nem fogadta el a neki felkínált "buta szőke" szerepeket. Visszautasította az Álom luxuskivitelben főszerepét, amelyben aztán Audrey Hepburn csillogott. A hetvenes évek közepén hátat fordított Hollywoodnak és állatorvos férjével egy farmra költözött, ahol lovakat és lámákat tenyésztenek. A filmtől teljesen nem szakadt el, a közönség a Csak egy dzsigoló, A kristálytükör meghasadt, és a Szerelmi álom című filmekben láthatta. Annak ellenére, hogy Amerikában évtizedeken keresztül minden filmje biztos kasszasiker volt, művészi elismerésben nem részesült. Ezért volt elégtétel számára, hogy 1997-ben, a 47. Berlini Nemzetközi Filmszemlén életművéért Arany Medve-díjjal tüntették ki.