Den 28-åriga franska kvinnan, rankad sjunde i världen, sade att hon tog beslutet med omedelbar verkan på grund av ihållande skador.
Hon gjorde det tårfyllda tillkännagivandet vid en mediekonferens efter Simona Haleps nederlag i Cincinnati.
"Det är dags för mig att dra mig tillbaka och kalla det en karriär", berättade hon reportrar.
"Jag känner att det är dags för mig att gå."
Bartoli, som slog Tysklands Sabine Lisicki i Wimbledonfinalen i juli, sa att hennes akille, axel, höft och nedre rygg värker hela tiden när hon spelar.
Hon tillade: " Det är aldrig lätt, men det var faktiskt den sista matchen i min karriär. Jag kan bara inte göra det längre."
Efter hennes 6-1 6-4 seger på Wimbledon, Bartoli antydde att de fysiska kraven i sporten tog sin tribut. "Det var förmodligen den sista lilla biten av något som fanns kvar i mig", sade hon på onsdag.
Den 2007 Wimbledon löpare hade vunnit sin första Grand Slam vid 47: e försöket - den längsta väntan i kvinnors tennis innan en jungfru Grand Slam.
Hon hade återvänt från sin Wimbledon triumf att spela i Toronto förra veckan och spelade sin första match i Cincinnati efter att ha fått en första omgången bye.
"Ibland säger din kropp bara i princip "det är det, jag har fått nog".
"Jag hade turen att gå i pension på min tidtabell men många idrottare kan inte, de går i pension när deras kropp ger ut och det låter som om hon var i ständig smärta överallt.
"Det var inte som om det var knät, höften eller axeln det var som om hela kroppen sa 'jag är härifrån'.
"När du väl har ont, hade jag dåliga knän i några år, det tar allt roligt att spela eftersom varje steg du tar är smärtsamt.
Emellertid verkar 3-6 6-4 6-1 förlust för Halep ha varit den sista sugröret.
"Det har varit ett svårt beslut att fatta", tillade hon. "Jag har varit tennisspelare länge och jag hade chansen att förverkliga min största dröm.
"Alla kommer att minnas min Wimbledon-titel. Ingen kommer att minnas den sista matchen jag spelade här.
"Jag gjorde min dröm till verklighet och den kommer att förbli för evigt hos mig, men nu klarar inte min kropp av allt."
WTA:s ordförande och verkställande direktör Stacey Allaster hyllade Bartolis "långa, framgångsrika karriär".
"Hon är en inspirerande mästare och en stor ambassadör för kvinnors tennis som har ägnat sitt liv åt sporten och gett så mycket tillbaka till spelet," sade hon.
"Jag är så stolt över henne för vem hon är, hennes värderingar och för att hon kämpar för att förverkliga sin dröm om att vinna Wimbledon."
Wimbledon mästare Marion Bartoli går i pension från tennis bara 40 dagar efter att ha vunnit hennes enda Grand Slam titel.