41-åringen hade ett jämnt förstaset mot Ons Jabeur, Tunisien, men tappade allt i andra och den amerikanska stjärnans 90:e grand slam-turnering var över efter 5–7, 0–6.
Det är första gången som åtminstone en av systrarna inte lyckas nå tredje omgången i Wimbledon sedan Serena debuterade i turneringen 1998.
Sjufaldiga vinnaren Serena tvingades bryta första omgångens möte med belarusiskan Aliaksandra Sasnovitj på grund av skada. Hon ledde med 3–1 i första set när hon halkade på gräset och skadade vristen.
Efter läkarvård var amerikanskan tillbaka men vid ställningen 3–3 gav hon upp och lämnade centrecourten i tårar.
Venus, som förlorade i andra omgången, är fortfarande med i mixeddubbel, där hon spelar tillsammans australiern Nick Kyrgios.