Dylan Samberg avgjorde i förlängningen sedan Sverige fått ett powerplay bortplockat efter videogranskning.
Rasmus Sandin, Washingtonbacken som haft mest speltid i Tre Kronor, åkte på en misstänkt knäskada redan efter fem minuter.
Amerikanske forwarden Michael Eyssimont tog sats och träffade Sandins knä och svensken föll till isen och vred sig i plågor.
Sandins knä ska undersökas ytterligare, men förbundskapten Sam Hallam var försiktigt optimistisk efter matchen.
– Vi hoppas att den (skadan) är relativt lindrig, första rapporterna är i alla fall mer positiva än negativa, säger han till SVT.
Efter den fula tacklingen blev det heta känslor mellan lagen.
I slutet av andra perioden lämnade viktige forwarden André Petersson isen med smärta efter en närkamp där han fastnade med skridskon i isen och såg ut att få en vridning.
Kommer tillbaka?
Om Rasmus Sandin inte kan spela mer i turneringen har Sverige bara sex backar, men en plats öppen i truppen. Joel Persson, Växjö, eller Christian Folin, Frölunda, kan komma att kallas tillbaka till VM. De var på plats tidigare utan att bli anmälda i truppen.
Sverige blir tvåa i gruppen och får möta trean från den andra gruppen i kvartsfinal på torsdag, just nu Tjeckien. Men det kan också bli Lettland om laget tar poäng mot Schweiz senare i kväll.
Det är inte heller klart var matchen spelas.
Sam Hallam säger att det finns en "go känsla" inför fortsättningen.
– Vi behöver ha lite mer hårdhet i vissa situationer, lite mer tålamod, säger han till SVT efter insatsen mot USA.
Tampa Bay-forwarden Michael Eyssimont fick matchstraff för tacklingen på Sandin och i svenskt spel fem mot tre sköt supertalangen Leo Carlsson, Örebros 18-åring, 1–0 på en lysande framspelning av Henrik Tömmernes.
Massor av utvisningar
Sedan duggade utvisningarna tätt, framför allt för Sverige – totalt fem bara i första perioden – där både André Petersson och Carl Grundström åkte ut för målvaktsinterference efter frilägen.
Två mycket tveksamma utvisningar som petiga paret Mike Langin, Kanada, och Andre Schrader, Tyskland, tog.
Sverige klarade ett tre mot fem-underläge, men släppte in sitt första mål i numerärt underläge i turneringen när Nick Bonino sköt 1–1 mellan benskydden på Lasse Johansson. Då satt Petersson utvisad för Sveriges första målvaktsinterference.
Efter en jämn inledningsperiod tog USA över i andra.
När Sverige åkte på ytterligare en utvisning kom 2–1-målet. Conor Garland slog in en retur från Johansson sedan denne först räddat ett försök till konstmål från Carter Mazur.
Med bara 30 sekunder kvar gjorde backen Lane Hutson 3–1 på en snabb kontring efter att ha vunnit pucken mot Timothy Liljegren.
USA hade ett 4–1-mål inne i början av tredje, men svenskarna utmanade med en "coach's challenge" och fick rätt att det föregicks av offside.
I stället kunde Leo Carlsson reducera till 2–3 när hans skott gick via Alex Tuchs klubba och i mål och med bara 2.31 slog Timothy Liljegren in kvitteringen på en retur.
Trots upphämtningen blev det dock förlust.