Matchen under ordinarie speltid slutade 1-1 efter två mål som påminde litet om varandra.
Amber Brooks gav USA ledningen efter bara 9 minuter. En petning som blev till en kort hörna ställde Nigerias försvar och Kristie Mewis kunde anvancera oattackerad med bollen mot närmsta stolpe och passa in till Amber Brooks som satte bollen stenhårt bakom Alaba Jonathan i Nigerias mål.
Nigeria kom starkare i andra halvlek och provade flera långskott. En frispark från drygt 25 meter gav kvitteringen.
En lätt petning till Helen Ukouno föregick 1-1-målet. Hon drog till otagbart i krysset bakom USAs målvakt Bianca Henninger. Tio minuter återstod av ordinarie speltid.
I första förlängningsperioden kom Kristie Mewis fri men Alaba Jonathan räddade liksom på den efterföljande hörnan. En snabb omställning och Nigerias Ebere Orji kom nästan lika fri.
Kristie Mewis ribbskott var det närmaste USA kom segern eftersom Nigeria inledde straffläggningen och tog ledningen.
Alaba Jonathan räddade USAs första straff.
Nigeria fick lägga om sin tredje straff tre gånger eftersom Bianca Henninger rörde sig för tidigt båda gångerna på Esther Sundays straff. Avgörandet kom när USAs och VMs näst bästa målgörare Sydney Leroux skulle lägga fjärde straffen men sköt i ribbans överkant och ut.
USAs back Rachel Quondolo skadade sig i en löpduell med Desire Oparanozie och föll så illa att hon måste bäras från plan några minuter före slutet av förlängningen.
Nigeria får möta Sveriges besegrare Colombia i semifinal torsdag.