De vitklädda spanjorerna fick en riktig drömöppning när Jordi Alba, via Denis Zakaria, skickade in 1–0 redan efter drygt sju minuter.
Xherdan Shaqiri utjämnade för schweizarna och matchen gick till förlängning och så småningom även till straffar, där Spanien visade sig vara ett nummer större och vann med 3–1, totalt 4–2.
Tidig spansk ledning
Den första halvleken tillhörde Spanien, man spelade till stor del på sin bollskicklighet och verkade bekväma med sin 1–0-ledning.
Schweiz hade inte mycket att säga till om. Förutom några fina hörnor hade Schweiz inga chanser att kvittera. Mycket av spelet hölls på mittfältet, och inte heller Spanien var nära att näta.
Med andra halvlek kom mer schweizisk press och med drygt tjugo minuter kvar kom så kvitteringen. Slarv i det spanska försvaret lämnade Xherdan Shaqiri fri nog att skicka in 1–1.
Med en knapp kvart kvar kom dock en riktig smäll för det rödklädda Schweiz. Remo Freuler gick in i en närkamp med Gerard Moreno med dobbarna före och fick syna domare Michael Olivers röda kort.
Den spanska pressen ökade men schweizarna höll emot och tog, precis som mot Frankrike, matchen till förlängning.
Spanien fortsatte att rada upp chanser, men inget tog sig förbi det schweiziska försvaret, och än mindre den, än en gång, storspelande målvakten Yann Sommer mellan stolparna.
Nytt straffdrama
Kvartsfinalen gick till straffar och för första gången i matchen var det schweizarna som hade matchen i sina händer när Sergio Busquets missade Spaniens inledande straff.
Men straffläggningen mot Frankrike hade kanske satt sina spår, de säkra schweiziska straffarna var utbytta mot halvhjärtade och i Spaniens mål stod Unai Simon, som inte verkade göra något fel.
– Fotbollen var bara där, vi är värdiga vinnare, säger Unai Simon till det europeiska fotbollsförbundet Uefas webbplats.
– Nu måste vi vinna hela EM, fortsätter han och säger att han vill ge sitt pris för matchens spelare till Yann Sommer.
Spanien vann till slut efter att Mikel Oyarzabal satt den avgörande straffen bakom Yann Sommer och skickat sitt Spanien till semifinal.
– Jag fick en flashback när straffen gick in, för det var en likadan som när vi förlorade här mot Sverige för tre år sedan (VM-åttondelen i Ryssland 2018). Men jag är så stolt över laget, över det vi åstadkommit här med hela landet bakom oss, säger Sommer till Uefa.
Spanien spelar semifinal på tisdag i London mot Italien.