Brasil, que cayó en las semifinales contra su archirrival Cuba, se impuso 25-18, 25-22, 25-21.
Esta es la segunda medalla de bronce al hilo para Brasil, que en Atlanta '96 sucumbió también en semifinales contra Cuba.
Los remates de Leila, Virna Dias y Erika, que controlaron la malla, marcaron la diferencia en el primer set, en la que las brasileñas rápidamente se pusieron arriba 18-9.
Las norteamericanas trataron de remontar en el segundo, en el que Danielle Scott y Sarah Noriega se combinaron para anular la presencia de Dias en la red y ponerse en ventaja 13-10.
Pero Brasil borró la desventaja marcando cuatro puntos contra uno de las estadounidenses. Virna Dias, en tanto, siguió causando estragos desde el lateral izquierdo de la red. Brasil finalmente se llevó el set.
Las norteamericanas volvieron a insistir en la recta final del tercer set en el que se acercaron 24-21, pero Virna Dias, tras un bloqueo, remató con fuerza para sellar el triunfo.