Emam Ashour kopte Egypte vroeg op voorsprong uit een hergebruikte set piece, waarbij de Afrikanen de betere ploeg waren gedurende de eerste helft.
Mohamed Salah, Omar Marmoush en Ashour vonden ruimte achter de vijf verdedigers van Australië terwijl Egypte vooruit duwde met hun aanvalslinie.
Australië kwam meer in de wedstrijd naarmate de helft vorderde, drukte hoger en bewees zich meer naarmate het spel vorderde.
Hun gelijkmaker kwam toen Mohamed Hany een vrije trap in zijn eigen net draaide, met Aiden O'Neill die de voorzet verzorgde.
Egypte doelman Ramy Rabia werd in de 94e minuut van een winnend doelpunt in de blessuretijd beroofd door een geweldige redding van Patrick Beach, waardoor de wedstrijd naar verlenging ging.
Salah werd steeds invloedrijker naarmate de verlenging vorderde, maar kon geen doorbraak forceren, waardoor de wedstrijd beslist moest worden met penalties.
Egypte had hun vorige vier penaltyseries op het wereldkampioenschap verloren, en hun zenuwen werden verder op de proef gesteld toen Australië manager Tony Popovic Beach verving door Mathew Ryan voor de penaltyserie.
Ryan kon geen enkele Egyptische penalty stoppen, terwijl Salah zijn poging in het midden zachtjes over de lijn tikte.
Harry Souttar en Lucas Herrington misten beiden voor Australië, waardoor Egypte doorging met 4-2 op penalties en een ontmoeting in de achtste finale met ofwel Argentinië of Kaapverdië tegemoet ging.
Salah, die hersteld was van een hamstringblessure in de opbouw, reflecteerde achteraf op de betekenis van de prestatie.
"Vandaag was een van de beste dagen van mijn leven, geschiedenis maken met mijn land. Ik probeerde mijn best te doen en te spelen als ik geblesseerd ben, omdat dit is wat ik voor het land doe.
"Ik ben trots op de jongens ... Ik zeg altijd tegen de jongens, geniet gewoon van het moment. We kunnen het niet voor lief nemen. Ik weet niet hoe vaak we ons voor het wereldkampioenschap hebben gekwalificeerd en nog nooit eerder zijn we door de groepsfase gekomen en nu zijn we gekwalificeerd voor de volgende ronde. Het is een moment om van te genieten."
Egypte middenvelder Haissem Hassan beschreef de fysieke test die Australië gedurende de wedstrijd stelde.
"We begonnen goed, namen de leiding, en toen maakten ze gelijk. We wisten dat het een zware wedstrijd zou worden omdat ze een zeer fysiek team zijn, met veel uithoudingsvermogen, en spelers die erg snel en krachtig zijn. We wisten dat het bij vrije trappen en hoeken moeilijk zou worden omdat ze erg groot zijn."
"Eerlijk gezegd, het is ongelooflijk, want je weet dat er in Egypte 120 miljoen mensen zijn die je vandaag gelukkig hebt gemaakt, en je weet dat er vandaag overal in het land vieringen zullen zijn... Voor elke speler, als je een jongen bent, droom je ervan om zo te eindigen."
Voor Australië was er trots ondanks de uitschakeling.
Awer Mabil zei: "Overduidelijk moeten we erg trots zijn op wat we als natie in dit toernooi hebben gedaan. Ik denk dat het een geweldig toernooi is geweest voor ons allemaal als land, en ook om ons jonge talent te tonen, wat ook een geweldig platform is geweest voor de jongeren om naar voren te stappen -- en dat hebben ze gedaan. Dus ik denk dat er veel te halen valt."
De run van Australië eindigt in de laatste 32, maar Mabil's opmerkingen wijzen op een breder gevoel van vooruitgang voor een selectie die is opgebouwd rond opkomend talent.
Egypte daarentegen gaat door om knockoutvoetbal te spelen waarvan weinig mensen hadden verwacht dat ze het zouden bereiken, waarbij Salah aandringt op het feit dat de prestatie moet worden gewaardeerd in plaats van als vanzelfsprekend te worden beschouwd.