Emam Ashour cabeceó a Egipto al frente temprano desde un tiro libre reciclado, con los africanos siendo el mejor equipo durante la primera mitad.
Mohamed Salah, Omar Marmoush y Ashour encontraron espacio detrás de la línea defensiva de cinco de Australia mientras Egipto avanzaba con su delantera.
Australia se fue metiendo en el partido a medida que avanzaba la mitad, presionando más alto y afirmándose más a medida que el juego progresaba.
Su empate llegó cuando Mohamed Hany convirtió un tiro libre en su propia portería, con Aiden O'Neill suministrando el centro.
El portero de Egipto, Ramy Rabia, fue negado un gol de la victoria en el tiempo de descuento por una impresionante parada de Patrick Beach en el minuto 94, llevando el partido a tiempo extra.
Salah se volvió cada vez más influyente a medida que avanzaba el tiempo extra, pero no pudo forzar un avance, dejando que el empate se decidiera por penales.
Egipto había perdido sus cuatro penaltis anteriores en la Copa del Mundo, y sus nervios fueron puestos a prueba aún más cuando el entrenador de Australia, Tony Popovic, reemplazó a Beach por Mathew Ryan para la tanda de penales.
Ryan no pudo detener un solo penalti egipcio, con Salah picando su esfuerzo por el medio.
Harry Souttar y Lucas Herrington fallaron para Australia, enviando a Egipto a través de 4-2 en penales y a un encuentro de octavos de final con Argentina o Cabo Verde.
Salah, quien se había recuperado de una lesión en el muslo en la preparación, reflexionó sobre la importancia del logro después.
"Hoy fue uno de los mejores días de mi vida, haciendo historia con mi país. Intenté dar lo mejor de mí y jugar cuando estoy herido porque esto es lo que hago por el país.
"Estoy orgulloso de los chicos... Siempre les digo a los chicos, solo disfruten el momento. No podemos darlo por sentado. No sé cuántas veces nos hemos clasificado para la Copa del Mundo y nunca antes habíamos pasado de la fase de grupos y ahora nos hemos clasificado para la siguiente ronda. Es un momento para disfrutar."
El mediocampista de Egipto, Haissem Hassan, describió la prueba física que Australia presentó durante todo el encuentro.
"Empezamos bien, tomando la delantera, y luego ellos empataron. Sabíamos que iba a ser un partido difícil porque son un equipo muy físico, con mucha resistencia, y jugadores que son muy rápidos y poderosos. Sabíamos que en tiros libres y córners iba a ser difícil porque son muy grandes."
"Honestamente, es increíble, porque sabes que en Egipto hay 120 millones de personas que has hecho felices hoy, y sabes que hoy habrá celebraciones en todo el país... Para cada jugador, cuando eres un niño, sueñas con terminar así."
Para Australia, hubo orgullo a pesar de la eliminación.
Awer Mabil dijo: "Obviamente, deberíamos estar muy orgullosos de lo que hemos hecho como nación en este torneo. Creo que ha sido un gran torneo para todos nosotros como país, y también para mostrar nuestro talento joven, también creo que ha sido una gran plataforma para que los jóvenes se destaquen -- y lo han hecho. Así que creo que hay mucho de lo que llevarse."
La trayectoria de Australia termina en la etapa de los últimos 32, pero los comentarios de Mabil apuntaron a un sentido más amplio de progreso para un equipo construido alrededor de talento emergente.
Egipto, en contraste, avanza para enfrentar un fútbol de eliminación directa que pocos esperaban que alcanzaran, con Salah insistiendo en que el logro debe ser saboreado en lugar de dado por sentado.