Den 60:e-rankade Amanda Anisimova vann slutligen matchen med 2–1 i set (4–6, 6–3, 7–6) – men det började i uppförsbacke.
Naomi Osaka, rankad 13 i världen, bröt 20-åringens serve omedelbart och vann sedan första set med 6–4. Därefter blev det desto tuffare för japanskan.
Anisimova tog över kommandot i andra set, bröt Osakas serve till 3–1 och behöll ledningen hela setet.
Osaka fick dock möjligheten att spela hem matchen i tredje. Vid ställningen 5–4 hade förhandsfavoriten dubbla matchbollar – men Anisimova lyckades rädda sig kvar i matchen två gånger om.
Krävdes tiebreak
Det krävdes till slut tiebreak för att skilja spelarna åt och där var Anisimova starkast. Nu väntar världsettan Ashleigh Barty i åttondelsfinal.
– Ärligt talat är jag så tacksam att jag kunde spela såhär bra i dag och ta hem den här segern. Det betyder jättemycket, säger hon efter vinsten.
– Jag visste att jag skulle behöva vara skarp i dag för att ha en chans. Jag visste att hon (Osaka) skulle spela bra, hon är en riktig mästare.
Den fyrfaldige grand slam-vinnaren var inte alltför besviken trots det överraskande uttåget.
– Jag kämpade för varje poäng, det går inte att vara ledsen för det. Jag är inte Gud, jag kan inte vinna varje match, säger hon.
Osaka var världstvåa i inledningen av förra året, men kämpade sedan med psykisk ohälsa och hoppade bland annat av Franska mästerskapen samt avstod från att spela i Wimbledon.
Efter förlusten i Melbourne planerar hon att radera sina sociala medier för att undvika negativa rubriker.
– Det första jag kommer att göra är antagligen att radera Twitter och Instagram och sedan kommer jag inte att ladda ner apparna igen på ett par veckor, säger hon.
Barty enkelt vidare
Hemmaspelaren Ashleigh Barty tog sig däremot vidare från tredje omgången utan några större svårigheter. Världsettan besegrade 33:e-rankade italienskan Camila Giorgi med 2–0 i set (6–2, 6–3).
Den 25-åriga australiskan har inte förlorat ett enda set på sina tre matcher i turneringen så här långt.
På förhand var det upplagt för stormatch i åttondelen mellan Osaka och Barty, men nu får Barty ser fram emot att möta Anisimova i stället.