Il y a deux difficultés dans cette phrase qui gênent l’analyse conventionnelle.
La première, c’est qu’il y a deux infinitifs. Vous dites que le COD ne fait pas l’action « renvoyer », mais l’infinitif à prendre en compte est celui qui suit directement le PP : « se faire ».
La deuxième , c’est qu’on a l’habitude de se demander « Est-ce que le COD fait l’action ? ». Or, dans votre phrase, on a envie de  répondre que le COD subit l’action à cause de la construction avec « se faire ».  Mais le COD est bien le sujet réel du verbe « se faire’, et donc fait l’action « se faire ».

On peut reformuler les phrases pour mettre en évidence le COD :
Je n’ai pas vu Mathilde se faire renvoyer.  Je ne l’ai pas vue se faire renvoyer.
Elle a vu exclure sa propre personne de la salle. Elle s’est vu exclure de la salle.