Après le Mondial 2015 où l'équipe du Brésil dont Marta est la capitaine est éliminée 1-0 en huitièmes de finale par l'Australie, elle dispute sa cinquième Coupe du monde en France. Le , lors du troisième match du premier tour Groupe C à Valenciennes, elle donne la victoire à son équipe face à l'Italie en marquant sur penalty à minute. Il s'agit de son dix-septième but en Coupe du monde, soit le record tous sexes confondus, puisqu'elle dépasse Miroslav Klose, 16 buts en cinq éditions disputées avec l'Allemagne. Elle qualifie par ailleurs le Brésil pour les huitièmes de finale. Le Brésil y rencontre l’équipe de France au stade Océane du Havre. La France élimine le Brésil 2 buts à 1 après prolongations.