"Vi har tagit ett gigantiskt steg mot att bryta med imperialistisk intervention", skriver Venezuelas president Nicolás Maduro på Twitter.
Landet kommer att lämna OAS som en protest mot "den Washington-ledda kampanjen mot landets socialistiska regering", uppger utrikesminister Delcy Rodríguez i statlig tv.
Venezuela har länge retat upp sig på OAS. Regeringen har utsatts för hård kritik för bristande demokrati av samarbetsorganisationen, och landet hade hotat att lämna OAS om den skulle ta upp krisen i landet till diskussion på ett utrikesministermöte – vilket organisationen på onsdagen röstade för att göra.
Ett utträdesbrev lämnas in under torsdagen, men hela processen väntas ta två år, enligt Rodríguez.
Fler dödsoffer
OAS-chefen Luis Almagro, tidigare utrikesminister i Uruguay, har tidigare sagt att Venezuela borde stängas av om landet inte håller val "så snart som möjligt".
Samtidigt stiger antalet dödsoffer för demonstrationerna i Venezuela. Nyhetsbyrån AFP anger antalet döda till minst 28 personer medan det enligt Reuters är minst 29.
Det senaste offret var en 20-årig man som avled efter att ha träffats av en gasbehållare under protester i östra Caracas, enligt Reuters.
Under onsdagen sköt polisen tårgas och vattenkanoner mot stenkastande demonstranter. Både motståndare och anhängare till regeringen protesterade.
Maskerade demonstranter kastade bensinbomber och tände eld på ett bepansrat polisfordon i huvudstaden Caracas.
Gripna journalister
Inrikesminister Néstor Reverol twittrade att två soldater skadats av beväpnade män på motorcyklar.
Maduro har sagt att protesterna är en del av en USA-ledd kampanj mot honom, och svurit att försvara "den socialistiska revolutionen" som hans föregångare Hugo Chávez inledde. Under onsdagen uppmanade han på Twitter folket att kämpa för "frihet och fred i vårt land".
Under oroligheterna i landet, som pågått i över tre veckor, har fler än 400 personer skadats och nära 1300 personer gripits enligt justitiedepartementet.
Enligt facket inkluderar den siffran 14 gripna journalister. Över 100 journalister uppges också ha blivit överfallna när de bevakat protesterna.
Fakta: Krisen i Venezuela
Venezuela gick in i lågkonjunktur i början av 2014, som förvärrats av en kollaps i oljepriset.
Befolkningen har varit tvungen att åka till angränsande länder för att handla mat och medicin. I Venezuela ransonerar stormarknader mat och hushållsartiklar, men trots subventionerade priser är det många som inte har råd att köpa varorna.
Internationella valutafonden bedömer att inflationen kommer att nå 1660 procent i år.
Krisen har lett till ökat tryck på den socialistiske presidenten Nicolás Maduro. Oppositionen skyller den svåra situationen på korruption och Maduros ekonomiska åtgärder för att tackla krisen.
Högsta domstolen beslöt i mars att frånta kongressen dess lagstiftningsmakt – ett beslut som senare drogs tillbaka på uppmaning av landets säkerhetsråd och efter internationella fördömanden.