Marquez bleef op zijn Honda op het 4,8 kilometer lange Circuit of the Americas zijn landgenoot Maverick Vinales (tweede) en de Italiaan Andrea Iannone (derde) voor.
Marquez was zaterdag tijdens de kwalificaties ook al de rapste, maar hij werd drie plekken teruggezet in de startopstelling.
De regerend wereldkampioen zou Vinales hebben gehinderd tijdens een snelle ronde, waarop de stewards na onderzoek besloten hem een straf te geven.
Marquez zag daardoor zijn unieke reeks beëindigd worden. Hij reed sinds de eerste editie van de 'Grand Prix of the Americas' in 2013 ieder jaar vanaf pole position naar de winst.
De Italiaan Andrea Dovizioso, die als vijfde eindigde, is na drie van de in totaal negentien races leider in de WK-stand met 46 punten, gevolgd door Marquez met 45 punten en Vinales met 41 punten.
Bendsneyder
De Nederlander Bo Bendsneyder moest eerder op zondag in de lagere Moto2-klasse genoegen nemen met de teleurstellende twintigste plaats.
De Italiaan Francesco Bagnaia ging er ten koste van de Spanjaard Alex Marquez (tweede), de jongere broer van Marc Marquez, en de Portugees Miguel Oliveira (derde) met de overwinning vandoor.
Bagnaia is ook in de WK-stand de nummer één met 57 punten, gevolgd door zijn landgenoot Mattia Pasini en Marquez met beiden 47 punten.
Bendsneyder wacht nog altijd op zijn eerste punten van deze jaargang. Hij finishte eerder als achttiende in Qatar en als 28e in Argentinië.
Over twee weken komen de motorcoureurs weer in actie. Dan staat in Spanje de eerste Europese Grand Prix op het programma.