Der Arsenal-Mittelfeldspieler, der kaum sechs Minuten auf dem Platz war, nutzte einen cleveren Pass von Ferran Torres und vollendete klinisch an Diogo Costa vorbei, um ein hart umkämpftes Achtelfinalspiel im Dallas Stadium zu entscheiden.
Spanien bleibt die einzige Mannschaft, die im Turnier noch kein Tor kassiert hat, und wird am Freitag in Los Angeles auf den Sieger aus USA und Belgien im Viertelfinale treffen.
Luis de la Fuentes Mannschaft begann hellwach, wobei Diogo Costa mit cleveren Paraden Lamine Yamal und Alex Baena in schneller Folge den Weg versperrte.
Portugal fand besser ins Spiel und hätte vor der Pause in Führung gehen können, als Nuno Mendes einen flachen Schuss sah, der nach einer Abfälschung von Pedro Porro an die Querlatte prallte. Mendes musste kurz nach der Stunde verletzungsbedingt vom Platz, was einen Rückschlag für Roberto Martinez' Mannschaft darstellte.
Ronaldo, der sein Abschiedsspiel bei der Weltmeisterschaft spielte, prüfte Unai Simon aus spitzem Winkel in der zweiten Halbzeit, während auch Bernardo Silva knapp scheiterte und den Kopfball nur hauchdünn über das Tor setzte.
Als das Spiel scheinbar auf die Verlängerung zusteuerte, kombinierten die eingewechselten Spieler, um den portugiesischen Herzen einen Stich zu versetzen. Torres, der spät eingewechselt wurde, spielte Merino frei, und der Arsenal-Spieler machte keinen Fehler, indem er die nahe Ecke hinter Costa fand.
"Die entscheidenden Spieler waren die, die von der Bank kamen. Ich sagte Merino, er solle so spielen, wie er es immer tut. Seine Rolle ist es, die Mittelfeldspieler und die Stürmer zu unterstützen. Mit ihm dachten wir daran, dem Team den Rhythmus und die Energie zu geben, die es benötigte. Der Einfluss der Spieler von der Bank war meisterhaft, aber das liegt daran, dass wir 26 Spieler von sehr hohem Niveau haben," sagte De La Fuente.
Der portugiesische Mittelfeldspieler Bruno Fernandes sagte: "Offensichtlich sind wir traurig. Wir sind hierher gekommen mit einem Ziel: das Ganze zu gewinnen. Leider waren wir nicht auf unserem besten Niveau.
"Ich denke, wir haben heute in der ersten Halbzeit besser gespielt, aber in der zweiten Halbzeit haben wir denselben Fehler gemacht, zu tief zu verteidigen und ihnen den Ball zu überlassen. Wenn das passiert, wirst du früher oder später ein Tor kassieren. Glückwunsch an Spanien, sie haben Qualität, aber ich denke, wenn wir weiterhin so gespielt hätten wie in der ersten Halbzeit, hätten wir ein besseres Ergebnis erzielen können."
Martinez, der nach dem Spiel bestätigte, dass er seine Rolle als Cheftrainer verlässt, lobte seine Spieler trotz der Enttäuschung.
"Das portugiesische Volk kann stolz auf dieses Team und diese Spieler sein. Es ist wirklich schade. Wir trafen die Querlatte. Ich denke, wir hätten das Spiel in die Verlängerung bringen müssen. Wir haben gut verteidigt. Wir haben gegen einen der Favoriten auf den Gewinn der Weltmeisterschaft gespielt. Vielleicht hat uns nur ein bisschen Glück gefehlt. Das Glück war heute nicht auf unserer Seite, aber es war ein sehr ausgeglichenes Spiel," sagte Martinez.
Das Ergebnis beendete die internationalen Karrieren sowohl von Ronaldo als auch von Martinez.