19-åriga Salma Paralluelo blev matchhjälte och fällde avgörandet när hon dribblade bort de nederländska försvararna och sköt in 2–1 för Spanien efter 111 spelade minuter.
Spanien tog tidigt kommandot i kvartsfinalen i Wellington, Nya Zeeland, och hade flera vassa målchanser. I slutet av första halvlek fick anfallsstjärnan Esther González ett mål bortdömt efter VAR-granskning och konstaterad offside.
Efter att en straff tilldömts Spanien blev det i stället Mariona Caldentey som lyckades trycka in 1–0 via stolpen, i matchens 81:a minut.
Men glädjen blev inte långvarig – tio minuter senare fick Nederländernas Stefanie van der Gragt ett friläge och kvitterade till 1–1 på tilläggstid, vilket tog matchen till förlängning.
För Spanien väntar nu semifinal mot Sverige i Auckland på tisdag, med avspark klockan 10 svensk tid.