Marta a par ailleurs disputé à quatre reprises les Jeux Olympiques, en 2004, 2008, 2012, et 2016, terminant deux fois médaillée d'argent, à Athènes en 2004 (victoire des États-Unis 2-1 en finale) et à Beijing en 2008, où la Seleçao féminine s'incline à nouveau face aux américaines, 1-0 a.p. À Londres en 2012, les Brésiliennes sont éliminées en quarts de finale par le Japon 2-0, et à domicile à Rio en 2016, sorties aux tirs au but par la Suède en demi-finales, Marta et ses partenaires sont battues 2-1 par le Canada dans le match pour la médaille de bronze.