En hidtil ukendt historie om en af Hollywoods allerstørste legender - Marilyn Monroe. "My Week With Marilyn" er baseret på autentiske dagbogsnotater og giver et sjældent indblik i Monroes omskiftelige sind. Handlingen foregår under indspilningerne til en af filmhistoriens store klassikere "Prinsen og korpigen", hvor et ophedet drama udspiller sig udenfor kameraets synsvinkel.

Hollywood, 1956. I et desperat forsøg på at blive taget seriøst som skuespiller, rejser stjerneikonet, Marilyn Monroe (Michelle Williams), til London for at indspille "Prinsen og korpigen" sammen med Laurence Olivier (Kenneth Branagh). Monroe, der føler sig forsømt i sit ægteskab med Arthur Miller, betages af den unge instruktørassistent, Colin Clark (Eddie Redmayne). En heftig flirt begynder i kulissen og holdes hemmelig for den tyranniske og temperamentsfulde Laurence Olivier. Men samtidig med at Colin for alvor falder for den ustabile skuespillerinde, bliver han også den eneste person, der kan sikre, at Marilyns luner holdes under kontrol, så filmen kan optages færdig.
Snart er Colin på dybt vand og er på vej til at få sit hjerte knust af verdens største filmstjerne.