Det är första gången på 26 möten Mexiko vunnit över USA och det är första gången Mexiko gjort mer än ett mål i någon av matcherna.
Mexiko fick en önskestart inför sin hemmapublik. Redan efter 3 minuter. Natalie Garcia skickade en frispark från egen planhalva till Nayeli Rangel strax utanför straffområdet där hon nickskarvade till Maribel Dominguez som var snabb att avsluta med ett skott förbi Nicole Barnhart i USA-målet. Det var hennes sjätte under kvalturneringen, samtidigt USAs första insläppa mål.
USA kvitterade efter en hörna i 25:e minuten. Mexikos tredjemålvakt boxade ut till Carli Lloyd som sköt 1-1.
Bara minuten senare kvitterade Veronica Perez för Mexiko.
USA dominerade andra halvlek men utan att komma till heta lägen mer än den mexikanska målvakten räddade Abby Wambach nick efter en retur.
Abby Wambach och Kenti Robles fick utgå de sista minuterna efter att ha nickat samman och båda lagen fick slutföra med var sin spelare mindre på plan.
Förbundskapten Pia Sundhage efter matchen:
– Mexiko hade en tolvte spelare genom sin publik som fick luft när hemmalaget tog ledningen redan efter par ett par minuters spel.
Kanada vann sin semifinal som väntat över Costa Ricka med 4-0 och är också klart för VM-slutspel.
USA har en ny chans genom att besegra Costa Rica i matchen om tredjeplatsen i Concacaf-kvalet och därmed få möta Italien som den sista platsen i VM-slutspelet..