Chemsdine Talbi, Timur Tutierov en Malick Fofana scoorden voor het team van Régis Le Bris, terwijl Callum Wilson en Igor Thiago antwoordden voor Brentford. De drie doelpunten van de thuisploeg kwamen in een uitbarsting van 13 minuten die de wedstrijd omdraaide nadat de bezoekers in het begin hadden bedreigd.
Le Bris was tevreden met het resultaat en de energie die zijn spelers toonden.
"Het is echt positief. We zijn op deze veeleisende reis en het is een nieuwe uitdaging voor de club, voor de spelers, en ik denk dat de energie beter wordt," zei de manager van Sunderland.
"We weten dat we goede spelers hebben, maar deze reis is echt uitdagend, dus ze moeten de uitdaging omarmen, en ze hebben vanavond laten zien dat ze daar klaar voor zijn."
Brentford had kansen voordat Sunderland de controle overnam, maar Talbi opende de score in de 26e minuut nadat de poging van Jocelin Ta Bi slechts gedeeltelijk werd gered. Tutierov maakte het 2-0 drie minuten later, door te scoren nadat Ta Bi de kans had gecreëerd, voordat Fofana de derde kopte in de 39e minuut.
Wilson trok er een terug voor de rust, en Thiago scoorde diep in de blessuretijd, maar Sunderland hield stand om hun plaats in de laatste acht te verzekeren.
De manager van Sunderland benadrukte ook de waarde van het doorgaan in de competitie, zelfs met andere prioriteiten die aandacht vragen tijdens het seizoen.
"Ik denk dat winnen belangrijk is. Het voedt het gevoel van de dynamiek en het helpt voor alles," zei Le Bris.
"Wanneer je wint, denk ik dat je betere energie hebt om goed te herstellen en het voedt de goede vibes."
Het resultaat bood aanmoediging nadat Le Bris ingrijpende wijzigingen had aangebracht in zijn basiself. De bijdrage van Ta Bi was bijzonder belangrijk, met de vleugelspeler betrokken bij alle drie de doelpunten van Sunderland terwijl de thuisploeg de defensieve fouten van Brentford bestrafte.
Keith Andrews was gefrustreerd door de uitschakeling van zijn team, ondanks dat hij positieve elementen in hun prestatie zag. De hoofdcoach van Brentford benadrukte dat de competitie serieus was genomen en zei dat zijn team genoeg kansen had gecreëerd om meer uit de wedstrijd te halen.
"We wilden verder komen in deze competitie," zei Andrews. "We hebben het heel, heel serieus genomen in de manier waarop we het hebben benaderd."
"Als we de prestatie ontleden, is er veel goeds om uit te halen. We hebben meerdere kansen gecreëerd en hadden meer moeten scoren dan we daadwerkelijk hebben gedaan."
De manager van Brentford identificeerde de periode waarin Sunderland drie keer scoorde als de bepalende factor.
"Maar de realiteit is dat we een periode in de wedstrijd hadden waarin we drie doelpunten hebben geïncasseerd, wat ons heeft gekost," zei Andrews. "Slecht verdedigen, slechte fouten en oordeel. We moeten ervan leren."
De late doelpunten van Brentford maakten het einde ongemakkelijk voor Sunderland, maar ze konden geen gelijkmaker vinden. Voor Le Bris bracht de overwinning zowel vooruitgang in de beker als een boost in vertrouwen; voor Andrews is de uitdaging om de positieve punten die hij heeft geïdentificeerd om te zetten in een completere prestatie in de volgende wedstrijd.