El "tricolor" se impuso por 11-10 en los lanzamientos desde los 11 metros después de que el partido terminase 1-1 tras el tiempo reglamentario y la prórroga.
Brasil comenzó lanzando en la tanda de penales y anotó los cuatro primeros. México falló el tercero, por lo que la "canarinha" tuvo un "match point" con su quinto lanzamiento, pero el disparo de Gabriel fue atajado por el héroe mexicano, Raul Gudiño.
El arquero paró también el duodécimo penal brasileño, lanzado por Mosquito, y Alejandro Díaz anotó el tanto definitivo.
México se adelantó en el minuto 80 de partido disputado en Dubai con gol de Iván Ochoa, pero Brasil igualó instantes después por medio de Nathan.
Los mexicanos se medirán el martes en las semifinales al ganador del duelo que jugarán mañana Argentina y Costa de Marfil.
Por la otra parte del cuadro, Suecia batió por 2-1 a Honduras y espera rival del partido entre Uruguay y Nigeria.
