La séance, dirigée par le président la Cour suprême, Ricardo Lewandowski, a commencé à 9h45 heure locale (12h45 GMT) et devrait durer une vingtaine d'heures.
C'est l'avant-dernier kilomètre d'un marathon politique entamé il y a plusieurs mois à Brasilia : après le vote d'une commission spéciale de sénateurs jeudi, le Sénat se prononce cette fois en séance plénière.
Les adversaires de la présidente de gauche du Brésil n'auront besoin que de la majorité simple, sur 81 sénateurs, pour pousser vers la sortie Mme Rousseff, la dauphine politique de l'ex-chef de l'Etat Luiz Inacio Lula da Silva, principal artisan de l'attribution en 2009 des JO à Rio de Janeiro.
Celle-ci a été suspendue de ses fonctions le 12 mai par la chambre haute et c'est son ancien vice-président devenu son rival, Michel Temer, 75 ans, qui assure depuis l'intérim à la tête de l'Etat.
Pour les deux camps, l'issue ne fait guère de doute.
"La présidente est toujours plus isolée. Un isolement très grand qui s'est aggravé ces dernières semaines et qui concerne même son propre parti", a déclaré à l'AFP le sénateur Aloysio Nunes, du parti social-démocrate PSDB, principal parti d'opposition au Parti des Travailleurs (PT-gauche) de Mme Rousseff et soutien de M. Temer (PMDB, centre droit).
"Je ne doute pas une seconde que, à l'instar du jugement définitif, le vote sera en faveur de l''impeachment' et qu'elle sera destituée", a-t-il dit.
Du côté des alliés de Mme Rousseff, la sénatrice Vanessa Grazziotin concède par avance la défaite. "Ils vont y arriver avec une certaine facilité", a-t-elle regretté.
- Crise institutionnelle -
Si le Sénat le décide ainsi mardi, le jugement final devrait intervenir autour du 25 août, quelques jours après la clôture des premiers jeux Olympiques organisés en Amérique du Sud. Cette ultime étape devrait durer moins d'une semaine.
En cas de destitution définitive de la présidente, ce sera la fin de plus de 13 ans au pouvoir pour le Parti des Travailleurs (PT, gauche). Michel Temer, 75 ans, remplacera alors Dilma Rousseff jusqu'à la fin de son mandat, fin 2018.
Il s'agirait du deuxième chef de l'Etat brésilien à être écarté du pouvoir, après Fernando Collor, en 1992. M. Collor démissionna trois mois après l'ouverture d'une procédure de destitution pour corruption, au moment où le Sénat s'apprêtait à le reconnaître coupable.
La présidente, réélue pour un second mandat de quatre ans fin 2014, est accusée de maquillage des comptes publics ainsi que d'avoir signé des décrets engageant des dépenses non prévues au budget sans avoir demandé au préalable l'accord du parlement, une pratique à laquelle ses prédécesseurs ont largement eu recours.
Mme Rousseff conteste formellement avoir commis un quelconque "crime de responsabilité" et dénonce un coup d'Etat institutionnel ourdi par M. Temer et la droite brésilienne.
Sur le plan strictement juridique, le parquet brésilien lui a donné partiellement raison en estimant que les tours de passe-passe budgétaires qui lui sont reprochés n'étaient pas constitutifs de crimes.
L'accusation, déjà fragile, ne reposerait plus que sur la signature de quelques décrets litigieux.
Dans les faits, il s'agit aussi et avant tout d'un procès politique intenté à une présidente fragilisée depuis l'éclatement de sa majorité parlementaire au plus fort de la crise politique brésilienne au printemps dernier.
Entre la nouvelle médaille olympique Michael Phelps, l'entrée en piste d'Usain Bolt et les attentes autour de la Seleçao de Neymar dans le tournoi olympique, les Brésiliens suivent le dernier acte de cette telenovela politique qui a plongé le Brésil dans sa pire crise institutionnelle depuis des décennies.
Ce géant d'Amérique latine s'achemine vers sa plus forte récession en un siècle, au milieu du gigantesque scandale Petrobras.
Loin des stades de Rio, le bâtiment du Congrès à Brasilia était entouré de barrières avant la séance plénière de mardi. Quelque 5.000 manifestants étaient attendus.
Avec AFP