Marta részt vett a 2007-es női labdarúgó-világbajnokságon Brazíliával. Brazília keresztülgázolt a csoportján, megnyerte mind a három mérkőzését, Marta duplázott az első két mérkőzésen. Brazília 3-2-re nyert Ausztrália felett a negyeddöntőben szeptember 23-án. Marta szerezte a második gólt büntetőből, amivel utolérte a norvég Ragnhild Gulbrandsen-t a góllövőlistán 5 góllal. Szeptember 27-én Marta két gól szerzett a világbajnokság elődöntőjében, ahol Brazília 4-0-s győzelmet aratott az Egyesült Államok ellen, a második gólja egy látványos megoldás volt. Marta a 2007-es női világbajnokság legjobb játékosa lett, de képtelenek voltak megnyerni a világbajnokságot, mivel veszítettek Németország ellen a döntőben 2-0-a, valamint a tizenegyesüket is kivédte a német kapus. Ő lett a gólkirály és a legjobb játékos is a tornán.