Marta fik et direkte rødt kort i første halvlegs over tid i Bordeaux for en uovervejet og farlig høj tackling på Spaniens anfører Olga Carmona lige foran dommeren.
Den 38-årige var utrøstelig, da hun forlod banen i det, der kunne vise sig at være hendes sidste optræden ved et OL.
Den mangedobbelte vinder af FIFA's pris som årets kvindelige verdensspiller deltager i sit sjette OL og var med på de hold, der vandt sølv i 2004 og 2008.
Hendes håb om at komme med igen i denne turnering afhænger først af, om Brasilien når frem til kvartfinalen.
Athenea del Castillo bankede bolden ind midt i anden halvleg og bragte Spanien, som allerede havde booket deres billet videre i turneringen foran, og Alexia Putellas krøllede en smuk bold ind til det andet mål i det 17. minut af en uendelig lang overtid.
Spaniens tredje sejr i træk i gruppe C betyder, at de skal til Lyon for at spille ottendedelsfinale på fredag.
Japan blev nummer to i gruppen efter at have slået Nigeria 3-1 på samme tid i Nantes, hvor Maika Hamano, Mina Tanaka og Hikaru Kitagawa scorede for japanerne, sidstnævnte på et flot frispark.
Christy Ucheibe svarede igen for Nigeria, som rejser hjem uden point.
Japan, der vandt sølv i 2012, skal spille kvartfinale i Marseille.
Brasilien, som slutter med tre point, kan stadig gå videre til ottendedelsfinalerne som en af de to bedste tredjepladser i de tre grupper, men det afhænger af udfaldet af onsdagens resterende kampe.
Selv hvis de går videre til ottendedelsfinalerne, skal Marta håbe, at Brasilien bliver i turneringen længe nok til, at hun kan vende tilbage efter sin karantæne.
USA har allerede kvalificeret sig fra gruppe B, inden de møder Australien, og Tyskland møder Zambia på samme tidspunkt.
Senere tager Canada imod Colombia i Nice i gruppe A, og de regerende olympiske mestre skal vinde, hvis de skal gå videre.
Det sker, efter at en appel mod et fradrag på seks point i forbindelse med en skandale om dronespionage blev afvist af Court of Arbitration for Sport tidligere onsdag.
Værterne Frankrig har brug for et point mod New Zealand for at garantere deres egen videre færd.