Jubel bröt ut bland många av de senatorer som röstat för att avsätta Rousseff. Några började att sjunga Brasiliens nationalsång i senatssalen, medan andra viftade med landets flagga.
Men Rousseffs anhängare visade sorg och missnöje över omröstningen.
"Jag vägrar att sammankoppla mitt namn med denna vanära" hade en senator skrivit på en skylt som hölls upp.
Totalt röstade61 av 81 senatorerna för att avsätta Rousseff, som redan var avstängd från sitt ämbete. 20 ledamöter röstade emot.Det krävdes att minst två tredjedelar av senaten röstade för hennes avsättning.
Omröstningen sköts upp
Brasilianska senaten höll två separata omröstningar när det gällde avstängda presidenten Dilma Rousseff:Det var meningen att omröstningen som avgör hennes framtid skulle ha hållits i går, men den sköts upp.
På onsdagskvällen kom beskedet att hon avsätts.
Varit avstängd sedan i våras
Redan i våras, den 12 maj, röstade senaten för att ställa Rousseff inför riksrätt. Under tiden har hon varit avstängd från presidentposten och landet har styrts av vicepresidenten Michel Temer, som bildat ny regering med mittenhögerpartiet PMDB i spetsen.
Anklagas ha dolt budgetunderskott
Rousseff anklagas för att ha olagligen ha dolt ett budgetunderskott med hjälp av lån från statliga banker inför valet 2014. Men i ett försvarstal inför senaten i måndags sade hon att riksrättsprocessen mot henne strider mot landets författning.
Hon framhöll då att den regering hon ledde begick misstag men aldrig svek sina väljare. Rousseff sade att Brasiliens ekonomi riskeras för att skydda den ekonomiska elitens intressen och varnade för att de senaste 13 årens sociala framsteg nu hotas.
Dilma Rousseff valdes 2010 till Brasiliens första kvinnliga president, en post som hon tillträdde den 1 januari 2011.
Enligt Reuters kommer Brasiliens nye president Michel Temeratt sväras in under onsdagskvällen svensk tid.
Senaten röstade även i en separat fråga om Rousseff skulle utestängas från alla offentliga uppdrag i åtta år. Senaten röstade inte för förslaget, utan tillåter henne att även i fortsättningen inneha offentliga uppdrag.