Lina Hurtig converteu a cobrança que deu a vitória por 5 a 4 para as suecas após a partida terminar sem gols nos 90 minutos e na prorrogação.
Pela seleção americana erraram as cobranças a estrela veterana Megan Rapinoe, Kelley O'Hara e a jovem atacante Sophia Smith.
As americanas dominaram os primeiros 90 minutos, durante os quais a goleira sueca Zecira Musovic fez defesas decisivas para manter o placar em 0 a 0. O empate sem gols foi mantido nos 30 minutos adicionais o que levou a decisão para os pênaltis.
Na última cobrança, de Hurtig, a goleira norte-americana Alyssa Naeher espalmou, mas uma revisão do VAR permitiu verificar que a bola havia cruzado a linha do gol por milímetros.
A dramática conclusão da partida deixou a Copa do Mundo na Austrália e na Nova Zelândia sem as duas primeiras seleções do ranking da Fifa: Estados Unidos e Alemanha.
Esta última foi eliminada na fase de grupos após um empate com a Coreia do Sul (1-1) e uma derrota para a Colômbia por 2 a 1. Antes desses jogos, as alemãs haviam goleado o Marrocos (6-0), que depois acabou conseguindo a classificação para as oitavas de final.
"É um momento difícil, muito difícil de superar", disse o técnico dos Estados Unidos, Vlatko Andonovski.
"Estou orgulhoso por elas (jogadoras) e estou arrasado por sair assim. Acho que criamos jogo suficiente para vencer esta partida, lutamos e representamos este país com orgulho. Fizemos tudo certo", acrescentou.
Foi também uma triste despedida de Rapinoe, uma glória do futebol de seu país e vencedora da Chuteira de Ouro em 2019, que anunciou sua aposentadoria no final da atual temporada.
Andonovski se referiu a ela como "uma lenda, a número um do mundo", e garantiu que sempre a escolheria para cobrar um pênalti, apesar de ter falhado neste domingo.
A seleção dos Estados Unidos entrou nesta Copa do Mundo como séria candidata a erguer a taça pela terceira vez consecutiva, o que seria o quinto título em sua história (após os conquistados em 1991, 1999, 2015 e 2019).
Mas as americanas acabaram tendo sua pior participação nesta edição ao não conseguir chegar pelo menos às semifinais pela primeira vez em um Mundial feminino.