Salma Paralluelo, que havia deixado o banco de reservas, marcou o gol da vitória aos 111 minutos finalizando um contra-ataque puxado por Jennifer Hermoso, num momento em que as holandesas dominavam o jogo.
Antes, Mariona Caldentey havia aberto o placar em uma cobrança de pênalti aos 81 minutos, após um toque de mão na área de Stefanie van der Gragt, que compensou o erro empatando a partida nos acréscimos com um chute potente da entrada da área.
Foi um triunfo histórico para a Espanha, que nunca havia vencido uma partida eliminatória em Copas do Mundo anteriores.
Já as holandesas ficaram com a frustração de sair sem o título depois de perder a final de 2019 para os Estados Unidos.
A partida foi disputada no Estádio Regional de Wellington com a presença de mais de 30.000 pessoas, incluindo o presidente da Fifa, Gianni Infantino, acompanhado pelo primeiro-ministro da Nova Zelândia, Chris Hipkins.
A Espanha exibiu seu jogo de posse de bola, gerando as melhores chances de gol ao longo da partida contra o futebol de contenção e contra-ataque da Holanda.
Com apenas 17 minutos de jogo, Alba Redondo tocou de cabeça um cruzamento dentro da área que a goleira holandesa Daphne Van Domselaar desviou para a trave com a ponta dos dedos e na sobra, Redondo disparou novamente na trave.
A Espanha tentou abrir o placar com chutes de todas as linhas, principalmente das atacantes Redondo e Esther González, enquanto a Holanda tentou criar perigo com avanços da veloz atacante Lineth Berensteyn.
No entanto, os primeiros 45 minutos foram sem gols principalmente graças à goleira holandesa Van Domselaar.
A Espanha manteve a pressão avassaladora no segundo tempo, embora as adversárias tenham conseguido evitar os vários chutes a gol como havia acontecido no primeiro tempo.
Além disso, as holandesas começaram a encontrar espaço na defesa espanhola para realizar contra-ataques com a velocidade de Beerensteyn.
Com a desvantagem no placar, a 'Oranje' partiu para cima em busca do empate, que veio nos acréscimos com o chute magistral de Van der Gragt.
A substituição de Bonmatí no final do segundo tempo deixou a Espanha sem seu cérebro criativo, o que a Holanda soube aproveitar para equilibrar as ações na prorrogação.
A estrela Alexia Putellas, com pouca presença no Mundial devido a uma lesão no joelho, entrou no tempo extra em busca de retomar as funções criativas.
Mas foi a seleção laranja quem esteve perto de marcar no segundo tempo da prorrogação, quando Beerensteyn chutou para fora após superar a defesa espanhola com sua velocidade.
A partida terminou num contra-ataque que Paralluelo finalizou com frieza levando a Espanha a uma inédita semifinal.