Robert Andrich a marqué à la sixième minute du temps additionnel, en reprenant un rebond sur un coup franc de Florian Wirtz.
Ce but a porté la série d'invincibilité de Leverkusen à 46 matches toutes compétitions confondues cette saison et a permis aux champions de Bundesliga de rester en bonne voie pour devenir la première équipe à terminer une saison de championnat invaincue.
"Je n'ai pas vu cela souvent dans le football. C'est difficile à expliquer", a déclaré l'entraîneur de 42 ans à Sky.
Leverkusen a marqué 10 buts pour gagner ou égaliser dans les arrêts de jeu cette saison.
Le but d'Andrich à la 96e minute est le deuxième plus récent de la saison, après celui de Josip Stanisic à la 7e minute du temps additionnel dimanche dernier, qui a permis à Leverkusen d'arracher le match nul 1-1 au Borussia Dortmund.
La semaine dernière, Alonso avait couru le long de la ligne de touche pour célébrer avec ses joueurs, mais cette semaine, il est resté immobile et a souri après le but d'Andrich.
"La semaine dernière, j'étais un peu ému, mais cette semaine, je n'arrivais pas à croire que nous l'avions encore fait".
Sebastian Hoeness, le manager de Stuttgart, s'est dit déçu que l'arbitre ait laissé le temps s'écouler avant le but de Leverkusen, dans un match "mouvementé et très émotionnel".
"C'était quatre minutes, puis cinq minutes", a-t-il déclaré.
"A mon avis, le coup franc n'aurait pas dû être accordé.
Après avoir remporté en avril le premier titre de champion en 120 ans d'histoire, l'équipe d'Alonso est en passe de réaliser un remarquable triplé.
Leverkusen affronte l'AS Rome en demi-finale de l'Europa League, le match aller se déroulant jeudi dans la capitale italienne. L'équipe d'Alonso s'est également qualifiée pour la finale de la Coupe d'Allemagne, où elle affrontera Kaiserslautern, un club de deuxième division.