Le milieu de terrain d'Arsenal, sur le terrain depuis à peine six minutes, a profité d'une passe fluide de Ferran Torres et a terminé cliniquement au-delà de Diogo Costa pour départager un match des huitièmes de finale âprement disputé au Dallas Stadium.
L'Espagne reste la seule équipe à n'avoir pas concédé de but dans le tournoi et affrontera le vainqueur de USA et Belgique en quart de finale vendredi à Los Angeles.
L'équipe de Luis de la Fuente a commencé brillamment, avec Diogo Costa réalisant des arrêts intelligents pour empêcher Lamine Yamal et Alex Baena consécutivement.
Le Portugal a pris de l'ampleur dans le match et aurait pu prendre l'avantage avant la pause, Nuno Mendes voyant une frappe basse rebondir sur la barre transversale après une déviation de Pedro Porro. Mendes a été contraint de sortir sur blessure juste après l'heure de jeu, un coup dur pour l'équipe de Roberto Martinez.
Ronaldo, jouant son dernier match en Coupe du Monde, a testé Unai Simon d'un angle fermé en seconde période, tandis que Bernardo Silva s'est également rapproché, frappant de justesse au-dessus.
Alors que le match semblait destiné aux prolongations, les remplaçants ont combiné pour briser le cœur des Portugais. Torres, introduit tardivement, a glissé Merino à travers et l'homme d'Arsenal n'a pas fait d'erreur, trouvant le coin proche au-delà de Costa.
"Les joueurs décisifs étaient ceux qui sont venus du banc. J'ai dit à Merino qu'il devait jouer comme il le fait toujours. Son rôle est de soutenir les milieux de terrain et les attaquants. Avec lui, nous pensions à donner à l'équipe le rythme et l'énergie dont elle avait besoin. L'impact des joueurs du banc a été magistral, mais c'est parce que nous avons 26 joueurs d'un très haut niveau," a déclaré De La Fuente.
Le milieu de terrain portugais Bruno Fernandes a déclaré : "Évidemment, nous sommes tristes. Nous sommes venus ici avec un objectif : gagner l'ensemble de la compétition. Malheureusement, nous n'étions pas à notre meilleur niveau.
"Je pense que nous avons mieux joué en première mi-temps aujourd'hui, mais en seconde mi-temps, nous avons fait la même erreur de défendre trop bas sur le terrain, en leur donnant le ballon. Quand cela arrive, tôt ou tard, vous allez concéder un but. Félicitations à l'Espagne, ils ont de la qualité, mais je pense que si nous avions continué à faire ce que nous avons fait en première mi-temps, nous aurions pu obtenir un meilleur résultat."
Martinez, qui a confirmé après le match qu'il quittait son poste d'entraîneur principal, a loué ses joueurs malgré la déception.
"Le peuple portugais peut être fier de cette équipe et de ces joueurs. C'est vraiment dommage. Nous avons touché la barre transversale. Je pense que nous méritions de prolonger le match en temps supplémentaire. Nous avons bien défendu. Nous jouions contre l'un des favoris pour remporter la Coupe du Monde. Peut-être qu'il nous manquait juste un peu de chance. La chance n'était pas de notre côté aujourd'hui, mais c'était un match très équilibré," a déclaré Martinez.
Le résultat a mis un terme aux carrières internationales de Ronaldo et Martinez.