Le teenager de Philadelphia Union a réalisé un lob époustouflant à la 62e minute pour dépasser le record de Mathis Albert, qui n'avait tenu que cinq jours.
Albert était devenu le plus jeune buteur de l'histoire de l'équipe nationale masculine des États-Unis à 17 ans et 131 jours lorsqu'il a marqué contre le Chili mercredi.
Sullivan n'a eu besoin que d'une seule apparition pour s'approprier le record, interceptant une passe du gardien mexicain Raúl Rangel avant de soulever le ballon au-dessus de lui à distance.
"Je me souviens juste d'avoir chipé le ballon, en espérant qu'il ne touche pas la barre transversale ou ne passe pas au-dessus," a déclaré Sullivan.
"Je devenais nerveux quand il était dans les airs et ensuite tout était flou."
Le but a doublé l'avantage des États-Unis après que Julian Hall ait ouvert le score à la 28e minute. L'attaquant de 18 ans a poursuivi son impressionnant début en football international, tandis que Malik Tillman a complété la victoire dans les dernières minutes.
US Soccer a confirmé que le résultat était la troisième victoire consécutive des Américains lors de cette fenêtre internationale, avec la victoire 3-0 lors de la 80e rencontre entre les deux pays.
Sullivan est déjà l'un des jeunes joueurs les plus surveillés aux États-Unis. Le milieu de terrain joue actuellement pour Philadelphia Union mais doit rejoindre Manchester City la saison prochaine après que le club anglais a sécurisé sa signature à l'âge de 14 ans en 2024.
Son avenir à Manchester est néanmoins devenu moins certain après que City a été reconnu coupable d'avoir enfreint la majorité des 115 règles financières dont ils avaient été accusés. Le club devrait faire appel des conclusions.
Pour l'instant, l'accent de Sullivan est mis sur la maximisation de sa montée rapide avec les États-Unis.
"Ce sont les moments dont on rêve quand on a trois, quatre, cinq ou six ans," a-t-il déclaré.
"J'ai manifesté ce moment, pas seulement ces dernières heures lorsque j'ai découvert que je commençais, mais toute ma vie."
La nuit du Mexique est devenue encore plus difficile lorsque le remplaçant Luis Chávez a été expulsé à la 68e minute pour avoir mis la main dans le visage de Sebastian Berhalter.
Les États-Unis contrôlaient déjà le match à ce moment-là, mais le but marquant de Sullivan avait fourni le moment décisif de la soirée.
À seulement 17 ans, il possède désormais un morceau de l'histoire du football américain et un autre jalon significatif sur la route de son transfert attendu à Manchester City.