Les championnes d'Europe, réduites à 10 joueuses à la 87e minute, ont réussi à s'imposer devant 50 000 spectateurs, alors que le match s'était terminé sur un score de 0-0 à l'issue de la prolongation, même si les Nigérianes ont eu les meilleures occasions.
L'Angleterre a tenu bon après que la meneuse de jeu Lauren James a reçu un carton rouge pour un coup de pied inutile. Elle sait qu'elle doit s'améliorer si elle veut ajouter la Coupe du monde à sa couronne européenne.
Elles affronteront la Colombie ou la Jamaïque samedi pour une place en demi-finale.
L'Angleterre a pris un départ terrible dans la séance de tirs au but lorsque Georgia Stanway a tiré à côté, mais Desire Oparanozie n'a pas pu en profiter et a raté une tentative presque identique.
Beth England ne s'est pas trompée, mais la Nigériane Michelle Alozie a tiré bien au-dessus pour donner à l'Angleterre un avantage qu'elle n'a jamais perdu, scellant la victoire grâce à Chloe Kelly qui a transformé le tir calmement.
"La première chose est que nous sommes restées soudées en tant qu'équipe" , a déclaré Sarina Wiegman, la sélectionneuse de l'équipe d'Angleterre.
"C'était un match très, très dur, puis nous avons eu un carton rouge, mais nous sommes allées jusqu'en prolongation et nous avons gagné aux tirs au but.
"Je suis très fière de l'équipe, qui a continué à aller de l'avant.
"Cela en dit long sur cette équipe. Aucun match n'a été facile et nous savions avant ce match qu'il ne serait pas facile".
Les Lionnes, qui ont remporté l'année dernière le Championnat d'Europe dans un stade de Wembley à Londres plein à craquer, devaient s'imposer facilement face à la 40e équipe mondiale.
Cependant, les Nigérianes ont montré au cours de cette Coupe du monde qu'elles avaient les moyens de défier n'importe qui.
Elles ont surpris le pays hôte, l'Australie, lors de la phase de groupe, en profitant de leur vitesse de transition pour s'imposer 3-2.
Et elles ont utilisé la même tactique contre l'Angleterre, dont l'arrière-garde a été régulièrement exposée à l'attaque nigériane.
"Nous n'avons pas eu de chance"
"Les Nigérianes sont très bien organisés, très rapides, très physiques et c'est exactement ce que nous avons vu" , a déclaré Wiegman à propos du Nigeria.
"Mais nous nous en sommes sortis et je suis très heureux.
Randy Waldrum, le sélectionneur du Nigeria, était fier de son équipe.
"Pour venir ici et jouer comme ils l'ont fait ce soir, j'ai pensé que nous étions tout aussi bons (que l'Angleterre)" , a-t-il déclaré.
"Nous avons eu toutes les occasions de faire un résultat et malheureusement nous ne l'avons pas fait.
"Il est évident que nous n'avons pas exécuté nos pénalités et quand on en arrive là, c'est le match de tout le monde.
"Nous avons eu les meilleures occasions, nous avons touché la barre transversale deux fois dans le jeu réglementaire. Nous avons eu les meilleures occasions, nous avons touché deux fois la barre transversale dans le jeu réglementaire. Nous avons été un peu malchanceux de ne pas obtenir quelque chose.
"Mais il faut rendre hommage à l'Angleterre, c'est une grande équipe.
