Brasilien blev förnedrade med hela 1–7 i semifinalen mot Tyskland i hemma-VM för fyra år sedan.
I år var stjärnorna ute efter revansch, men trots en tapper insats mot Belgien blev laget utslaget redan i kvartsfinal.
Belgarna hade ledningen med 2–0 efter första halvlek innan Renato Augusto tände hoppet med en reducering i den 76:e minuten.
Brassarna skapade flera vassa chanser att kvittera, men målvakten Thibaut Courtois storspelade.
– Det här var inte vad vi ville. Vi kämpade in i det sista, men mötte ett starkt lag och kan bara gratulera Belgien som lyckades utnyttja två chanser att göra mål, säger lagkaptenen Miranda till Fifa.
För Belgien väntar nu semifinal mot Frankrike på tisdag.