Tolfterankade Kvitova hade chansen att avgöra den jämna tresetaren i tiebreak i egen serve – men slarvade rejält och drog på sig ett dubbelfel.
I stället vände Shelby Rogers och utnyttjade sin första matchboll. Slutställningen blev till sist 7–6 (7–5), 3–6, 7–6 (8–6).
Nu väntar antingen Naomi Osaka, Japan, eller Anett Kontaveit, Estland, i kvartsfinalen.
Ytterligare en överraskning inträffade tidigare under söndagen, när den 41-rankade amerikanskan Jennifer Brady slog ut mästaren från 2016, tyskan Angelique Kerber, efter en klar vinst med 6–1, 6–4.
Brady tog sig därmed till sin karriärs första kvartsfinal i grand slam-turneringen, som i år är starkt präglad av coronarestriktioner.
Med säkert servande och en stark forehand kontrollerade Brady spelet och kammade hem det första setet efter bara 22 minuter.
Trots en medicinsk timeout kunde Brady även ta hem det tredje setet efter att Kerber, rankad 23:a i världen, returnerat matchbollen på fel sida av baslinjen.
– Kerber är en stark spelare som får dig att slita för varje poäng, säger 25-åriga Brady enligt Reuters och fortsätter:
– Jag visste vad jag ville göra och jag är ganska stolt över mig själv.