Venezuela har aldrig besegrat Brasilien i ett VM-kval, men när Eric Ramírez i elfte spelminuten nickade in bollen i nät efter inspel av Yeferson Soteldo väcktes hoppet.
Hemmapubliken i Caracas var extatisk och man får anta att hoppet hade växt sig ordentligt starkt när 1–0-ledningen stod sig till halvtidsvilan.
Det dämpades dock av Brasiliens Marquinhos som nickade in 1–1 vid en hörna i matchminut 71. Gabriel Barbosa satte sedan 2–1 på straff och landslagsdebuterande Antony petade in 3–1 på stopptid.
– Det var en komplicerad match, vi började långt under nivån vi är vana vid, säger Marquinhos enligt Reuters.
Brasilien saknade den avstängda Neymar medan Gabriel Jesus var tillbaka efter det att han fick rött kort i Copa América-kvartsfinalen mot Chile i juli.
Argentina mötte under torsdagen Paraguay men misslyckades med att göra mål för första gången sedan juni 2019. Däremot fortsätter man att vara obesegrade i VM-kvalet, men halkar ytterligare efter Brasilien som toppar den sydamerikanska kvalgruppen.
Oavgjort blev det även mellan Uruguay och Colombia, medan Ecuador vann över Bolivia med 3–0 och Peru besegrade Chile med 2–0.
VM-kvalgruppen toppas av Brasilien på 27 poäng efter nio raka segrar. Argentina är tvåa, åtta poäng bakom.
De fyra bästa lagen kvalificerar sig automatiskt till Qatar-VM nästa år och femman går till det interkontinentala playoffspelet.