A classificação das 'Matildas' foi decidida após dez cobranças para cada lado, com a atacante Cortnee Vine convertendo o pênalti que sacramentou a vitória australiana.
As francesas erraram com Selma Bacha, Eve Perisset, Kenza Dali e Vicki Becho, enquanto Steph Catley, Mackenzie Arnold e Clare Hunta desperdiçaram para a Austrália.
Foi o terceiro duelo da Copa feminina decidido nos pênaltis, e o que teve o maior número de cobranças.
O jogo foi marcado pela alta intensidade e incontáveis chances de gol para ambas as equipes nos 120 minutos jogados.
Maëlle Lakar quase abriu o placar para as 'Bleues' aos 12 minutos após cobrança de escanteio, mas finalizou por cima do gol.
As australianas, que tinham o apoio dos quase 50 mil torcedores presentes no estádio Suncorp de Brisbane, resistiram até a entrada da estrela Sam Kerr, que ainda não está 100% fisicamente após se recuperar de lesão na panturrilha.
A melhor oportunidade para as donas da casa veio aos 40 do primeiro tempo, quando Mary Fowler finalizou para o gol vazio e a lateral francesa Élisa de Almeida apareceu para afastar o perigo.
- Sam Kerr vai para o jogo -
A Austrália manteve o ritmo no início do segundo tempo, com Fowler infernizando a defesa francesa.
Quando a França começava a equilibrar a partida, Kerr entrou em campo e imediatamente gerou uma oportunidade que foi desviada pela goleira Pauline Peyraud-Magnin.
A estrela australiana reacendeu as arquibancadas e não deu descanso para as adversárias, mas as francesas também criavam chances.
"Ia da direita para a esquerda, da esquerda para a direita. É difícil dizer quem merecia mais, então parabéns à Austrália", declarou o técnico das 'Bleues', Hervé Renard, à emissora France 2.
O equilíbrio persistiu nos 30 minutos de prorrogação, com oportunidades para ambos os lados, mas o zero não saiu do placar.
A interminável disputa de pênaltis, que chegou até a 20ª cobrança, definiu a classificação da Austrália.
"Tivemos um estádio inteiro, uma nação contra nós. Fizemos um jogo excepcional, mas o futebol é assim", acrescentou Renard.