Segern innebär att Damkronorna tog ett stort steg mot förnyat kontrakt i A-VM.
Det svenska landslaget åkte ju ur 2019 och är nu tillbaka på en friplats sedan Ryssland stängts av från internationell ishockey.
Chansen att nå kvartsfinal är också bra efter de två raka inledningssegrarna för ett ungt svenskt landslag där 13 spelare är VM-debutanter och där snittåldern i truppen är strax över 22 år.
Lina Ljungblom fick med knappt fyra minuter kvar av ordinarie tid matchstraff för en tackling i ryggen på Katarina Jobst-Smith.
Då ledde Sverige med 3–1 och klockan visade 16.02.
Först reducerade Nicola Eisenschmid efter 16.31 och med bara 42 sekunder kvar av ordinarie speltid kom kvitteringen genom systern Tanja Eisenschmid, båda i Djurgården kommande säsong.
Höll tätt
Men sedan avgjorde svenskorna i straffläggningen. Hanna Olsson och Mira Jungåker gjorde mål och Emma Söderberg räddade fyra tyska straffar innan det var avgjort. Olsson har nu gjort fem mål på de två första matcherna i VM.
– Man kan se det på det ena sättet att det är jäkligt tufft att släppa in de där målen. Just nu väljer jag att se hur starkt det är att ändå hitta ett sätt att vinna, säger förbundskapten Ulf Lundberg i SVT.
Annars såg det ut som om Sverige hade tagit segergreppet i ordinarie tid genom att gå upp till en 3–0-ledning.
Tyskland höll emot i drygt halva matchen innan Lina Ljungblom snyggt kunde göra 1–0 efter 12.48 av andra perioden i numerärt överläge.
Modoforwarden sköt direkt på Linnea Johanssons inspel framför mål och pucken gick mellan benskydden på tyska målvakten Sandra Abstreiter.
17-åriga backlöftet Mira Jungåker, HV71, fick en passningspoäng och står därmed på fyra assist.
Olsson målskytt
Kort därefter åkte tyskorna på en ny utvisning och Hanna Olsson fick ett jätteläge med tom målbur, men prickade stolpen.
Men lite senare kunde dock Frölundas forwardsstjärna antecknas för sin fjärde fullträff i VM-turneringen.
Ett nedlägg mot sargen från Olivia Carlsson studsade ut och Olsson uppfattade situationen blixtsnabbt. Hon drog iskallt bort Abstreiter och lade in 2–0-pucken med en backhand.
Backen Anna Kjellbin skickade in 3–0 efter 6.59 av tredje perioden sedan tyska målvakten styrt in skottet i eget mål. Paula Bergström bokfördes officiellt för målet, men skottet kom från Luleåbacken Kjellbin.
Nina Christofs reducering efter 12.43 såg ut som ett tröstmål – men blev början på upphämtningen.
Svenskorna är spellediga på söndagen innan gruppspelet avslutas med match två dagar i rad, Ungern på måndag och Tjeckien på tisdag.