El arquero Sergio Rochet le atajó el primer penalti a Éder Militao y Douglas Luiz estrelló el tercero en el palo en el Allegiant Stadium de Las Vegas, Nevada.
Aunque el uruguayo Jose María Giménez erró también un lanzamiento, Manuel Ugarte convirtió el quinto penal de la serie y dio la clasificación a semifinales a la Celeste de Marcelo Bielsa.
La Celeste se medirá el miércoles en Charlotte, Carolina del Norte, con la potente Colombia, que este sábado arrasó 5-0 a Panamá en otro cruce de cuartos.
En Las Vegas, la escuadra charrúa se llevó un triunfo agónico de un duelo al que llegaba como favorita por su paso impecable en la primera fase y por la baja de Vinicius Jr por sanción.
En un áspero clásico sudamericano, Uruguay disputó la recta final del choque con un jugador menos por la expulsión del lateral Nahitan Nández en el minuto 73 por una dura entrada a Rodrygo.
Uruguay también perdió con solo media hora de juego a Ronald Araújo, patrón de su defensa, por lesión.
Brasil, que había decepcionado hasta ahora en el torneo, mejoró sus prestaciones cuando pocos lo esperaban e incluso gozó de dos claras ocasiones de Raphinha para decantar el triunfo a su favor.
"Nos vamos invictos del torneo pero no satisfechos. Por lo que trabajamos teníamos más expectativas", declaró el DT de Brasil, Dorival Junior, tras la eliminación. "No son los resultados que queríamos, asumo esa responsabilidad, pero creo que este equipo tiene todo para evolucionar mucho".
El choque también vivió la primera titularidad con Brasil de Endrick, la joya de 17 años, reemplazando a Vinicius Jr.
El nuevo delantero del Real Madrid, segundo jugador más joven de Brasil en jugar la Copa América, estuvo muy activo en los 90 minutos pero no consiguió dedicarle un tanto a Vini, que vio el juego desde la tribuna acompañado de la estrella de la NBA Joel Embiid.
El choque se disputó en medio de un gran ambiente en el moderno Allegiant Stadium, donde los 55.770 aficionados, con equilibrio de hinchadas, estuvieron a cubierto del asfixiante calor que sobrepasó los 46º Celsius en la capital del juego.
Lesión de Araújo
En el exótico escenario de Las Vegas, uruguayos y brasileños vivieron el 80º episodio de una histórica rivalidad que regaló capítulos inolvidables como el 'Maracanazo' del Mundial de 1950.Los dos vecinos protagonizaron unos primeros compases llenos de tensión, muy interrumpidos por constantes faltas.
La hiperactividad de Endrick era el principal riesgo que debía atender la zaga comandada por Araújo, que pronto tuvo sus primeros encontronazos con su futuro rival en los clásicos españoles.
Con el balón parado, Araújo le propinó un fuerte empujón por la espalda a Endrick y se llevó una reprimenda de su compañero del Barcelona Raphinha.
Araújo tuvo que abandonar el césped a la media hora al lesionarse en una acción sin contacto, en la que trataba de rechazar un centro desde la izquierda de Guilherme Arana.
Tras la salida del central se sucedieron las dos principales ocasiones de la primera mitad, comenzando por un peligroso centro uruguayo que Darwin Núñez remató desviado con el hombro.
A continuación Raphinha protagonizó una gran accción individual con la que que se plantó frente a Sergio Rochet, pero el arquero uruguayo le sacó el remate con una mano salvadora.
El juego se abrió más en la segunda mitad, permitiendo las llegadas de los jugadores de segunda línea como Federico Valverde.
Las dos aficiones se unieron para llevar la emblemática ola a las tribunas de este estadio de la NFL, pero en el césped la agresividad no menguaba.
El árbitro argentino Darío Herrera se resistió lo que pudo a usar las tarjetas pero, tras revisión en el VAR, castigó con roja directa una feroz entrada de Nahitan Nández al tobillo de Rodrygo.
Para explotar la ventaja, Dorival Junior alistó rápidamente cuatro cambios, refrescando todo el ataque con excepción de Endrick.
El prodigio brasileño, con un remate demasiado centrado a seis minutos del final, quemó el último cartucho brasileño antes del drama de los penales.
Valverde abrió la tanda anotando para Uruguay, en el que también anotaron Rodrigo Bentancur, Giorgian De Arrascaeta y el decisivo de Ugarte, mientras Brasil sólo anotó por mediación de Andreas Pereira y Gabriel Martinelli.