Obduksjonen, som ble utført av dr. Thomas Noguchi, avslørte at hun hadde 8 milligram kloralhydrat og 4,5 milligram Nembutal i blodet, 13 milligram Nembutal i leveren, men ingen medisinrester i magen. Noguchi tok også prøver av nyrene, magesekken, tarmen og urinen for å avklare om hun hadde svelget medisinen, men disse prøvene ble borte. Dødsårsaken ble satt til «sannsynlig selvmord». Dette ble basert på at hun ikke hadde noe ytre tegn til vold, og hadde flere halvfulle og tomme pilleglass på nattbordet, inkludert Nembutal og kloralhydrat. Monroe hadde også tidligere tatt overdose med sovemedisin, både med vilje og ved uhell, men hadde da blitt reddet. En gruppe kalt Suicide Prevention Team fikk i oppgave å opprette en psykologisk profil på Monroe og vurdere sannsynligheten for at hun hadde begått selvmord. Dr. Robert Litman, som var med i gruppen, fortalte senere at de måtte konkludere med selvmord eller et sjansespill med døden etter å ha snakket med Greenson. Han hevdet også at de hadde ønsket å bli ferdig med saken så snart som mulig og komme seg videre.