I 1946 returnerte Lyon til Hollywood der han fikk en lederstilling hos 20th Century Fox. Der møtte han den unge og håpefulle skuespillerinnen Norma Jeane Dougherty, som senere ble Marilyn Monroe. Lyon arrangerte han en prøvespilling for henne og uttalte etterpå at «det er Jean Harlow på nytt». Hun fikk kontrakt med filmselskapet, men navnet hennes ble ikke ansett som kommersielt nok, så det ble bestemt at det måtte endres. Lyon mente at hun minnet om Marilyn Miller og foreslo derfor navnet Marilyn. Som etternavn brukte hun morens pikenavn, Monroe.