Etapa eliminatória A fase eliminatória envolveu as 16 equipes que se classificaram desde a fase de grupos do torneio. Houve quatro rodadas de jogos, sendo que cada rodada eliminou metade das equipes que entraram naquela rodada. As rodadas sucessivas foram: oitavas de final, quartas de final, semifinais, final. Houve também uma repescagem para decidir o terceiro/quarto lugar. Para cada partida na fase de mata-mata, qualquer empate aos 90 minutos era seguido de 30 minutos de prorrogação; se os placares ainda estivessem empatados, haveria uma cobrança de pênaltis (pelo menos cinco penalidades cada, e mais se necessário) para determinar quem avançaria para a rodada seguinte. As pontuações após o tempo extra são indicadas por (aet), e as cobranças de pênaltis são indicadas por (p).
| Rodada de 16 | | Quartas de final | | Semi-finais | | Final |
| | | | | | | | | | | | | | |
| 24 de junho - Turim | | | | | | | | | |
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| Brasil | 0 |
| 30 de junho - Florença |
| Argentina | 1 | |
| Argentina (p) | 0 (3) |
| 26 de junho - Verona |
| | Iugoslávia | 0 (2) | |
| Espanha | 1 |
| | 3 de julho - Nápoles |
| Iugoslávia (aet) | 2 | |
| Argentina (p) | 1 (4) |
| 25 de junho - Gênova |
| | Itália | 1 (3) | |
| Irlanda (p) | 0 (5) |
| 30 de junho - Roma | |
| Romênia | 0 (4) | |
| Irlanda | 0 |
| 25 de junho - Roma |
| | Itália | 1 | |
| Itália | 2 |
| | 8 de julho - Roma |
| Uruguai | 0 | |
| Argentina | 0 |
| 23 de junho - Bari |
| | Alemanha Ocidental | 1 |
| Tchecoslováquia | 4 |
| 1 de julho - Milão | |
| Costa Rica | 1 | |
| Tchecoslováquia | 0 |
| 24 de junho - Milão |
| | Alemanha Ocidental | 1 | |
| Alemanha Ocidental | 2 |
| | 4 de julho - Turim |
| Países Baixos | 1 | |
| Alemanha Ocidental (p) | 1 (4) |
| 23 de junho - Nápoles |
| | Inglaterra | 1 (3) | | Terceiro lugar |
| Camarões (aet) | 2 |
| 1 de julho - Nápoles | | 7 de julho - Bari |
| Colômbia | 1 | |
| Camarões | 2 | Itália | 2 |
| 26 de junho - Bolonha |
| | Inglaterra (aet) | 3 | | Inglaterra | 1 |
| Inglaterra (aet) | 1 |
| | |
| Bélgica | 0 | |
|
Rodada de 16
Dois dos empates - Argentina x Brasil e Itália x Uruguai - colocaram os antigos países campeões um contra o outro, e a Alemanha Ocidental se encontrou com a Holanda em uma desforra da final da Copa do Mundo de 1974.
O jogo totalmente sul-americano foi vencido pela Argentina por um gol de Claudio Caniggia a 10 minutos do fim, após uma corrida pela defesa brasileira de Diego Maradona e uma excelente atuação de seu goleiro Sergio Goycochea. Mais tarde, viria à tona que Branco havia sido oferecido água com tranquilizantes por Maradona e Ricardo Giusti durante o intervalo, para retardá-lo no segundo tempo. Inicialmente desacreditado pela imprensa, Branco seria provado publicamente anos depois, quando Maradona confessou o episódio em um programa de TV na Argentina. Quanto à Itália, uma forte exibição no segundo tempo viu os anfitriões vencerem o Uruguai por 2x0, graças a outro gol de Schillaci e outro de Aldo Serena.
A partida entre a Alemanha Ocidental e a Holanda foi realizada em Milão, e ambas as equipes contaram com vários jogadores notáveis dos dois clubes milaneses (os alemães Andreas Brehme, Lothar Matthäus e Jürgen Klinsmann pela Internazionale, e os holandeses Marco van Basten, Ruud Gullit e Frank Rijkaard pelo Milan). Após 22 minutos RudiVöller e Rijkaard foram ambos dispensados após uma série de incidentes (incluindo Rijkaard cuspindo em Völler) entre os dois jogadores que deixaram o árbitro argentino sem nenhuma opção a não ser mandar os dois embora. Quando os jogadores saíram do campo juntos, Rijkaard cuspiu em Völler uma segunda vez. No início do segundo tempo, Jürgen Klinsmann colocou os alemães ocidentais à frente e Andreas Brehme acrescentou um segundo, faltando oito minutos. Um pênalti de Ronald Koeman para a Holanda aos 89 minutos reduziu o placar para 2 x 1, mas os alemães viram o jogo para se vingar de sua saída para a Holanda no Campeonato Europeu anterior.
Enquanto isso, os heroísmos de Camarões e Roger Milla continuaram em seu jogo com a Colômbia. Milla foi apresentado como um substituto no segundo tempo sem gols, acabando por quebrar o impasse no meio do jogo na prorrogação. Três minutos depois, ele marcou um segundo gol após o goleiro colombiano, René Higuita foi expulso por Milla enquanto bem fora de seu gol, deixando o atacante livre para encaixar a bola na rede vazia. Embora o déficit tenha sido logo reduzido para 2-1, Camarões se manteve como o primeiro time africano a chegar às quartas de final da Copa do Mundo. A Costa Rica foi vencida confortavelmente por 4-1 pela Tchecoslováquia, para quem Tomáš Skuhravý marcou o segundo e último hat-trick do torneio.
A partida da República da Irlanda contra a Romênia permaneceu sem gols após a prorrogação, e a seleção irlandesa venceu por 5-4 nos pênaltis. David O'Leary converteu o pênalti que garantiu a classificação da Irlanda para as quartas de final. A Irlanda se tornou assim a primeira equipe desde a Suécia em 1938 a chegar às quartas-de-final de um torneio da Copa do Mundo sem ganhar uma partida de jeito nenhum. A Iugoslávia venceu a Espanha por 2-1 após a prorrogação, com Dragan Stojković marcando os dois gols da Iugoslávia. A Inglaterra foi o último jogo das eliminatórias contra a Bélgica, quando o volley giratório do meio-campista David Platt quebrou o impasse com momentos de jogo fora de uma disputa de pênaltis.
| 23 de junho de 199017 :00 | Camarões  | 2-1 (a.e.t. ) | Colômbia | StadioSan Paolo, Nápoles |
| Milla 106 ', 109' | | Redín 115' . |
| 23 de junho de 199021 :00 | Tchecoslováquia  | 4-1 | Costa Rica | Stadio San Nicola, Bari |
| Skuhravý 12' , 63', 82' Kubík 75' | | González 54' . |
| 24 de junho de 199017 :00 | Brasil .svg.png) | 0-1 | Argentina | Stadio delle Alpi, Turim |
| | Caniggia 80' |
| 25 de junho de 199017 :00 | República da Irlanda  | 0-0 (a.e.t. ) | Romênia | Stadio Luigi Ferraris, Gênova |
| | |
| | Penalidades | | |
| Sheedy Houghton  Townsend Cascarino O'Leary  | 5-4 | Hagi Lupu Rotariu Lupescu Timofte | |
| 25 de junho de 199021:00 | Itália  | 2-0 | Uruguai | Stadio Olimpico, Roma |
| Schillaci 65''. Serena 83' . | | |
| 26 de junho de 199017 :00 | Espanha  | 1-2 (a.e.t. ) | Iugoslávia | Stadio Marc'Antonio Bentegodi, Verona |
| Salinas 83' . | | , 92' |
| 26 de junho de 199021 :00 | Inglaterra  | 1-0 (a.e.t. ) | Bélgica | Estádio Renato Dall'Ara, Bolonha |
| Platt 119'' . | | |
Quartas de final
O primeiro jogo dos últimos 8 viu a Argentina e um lado iugoslavo, reduzido a 10 homens depois de apenas meia hora, jogando um empate sem gols. Os titulares chegaram às semifinais depois de vencerem por 3-2 nos pênaltis, apesar de Maradona ter defendido seu pênalti. Uma segunda falta argentina (de Pedro Troglio) parecia tê-los eliminado até o goleiro Sergio Goycochea - jogando porque a primeira opção Nery Pumpido quebrou a perna durante a fase de grupos - resgatou sua equipe, parando os dois últimos pênaltis da Iugoslávia.
A corrida da República da Irlanda pela Copa do Mundo foi concluída com um único gol de Schillaci no primeiro tempo das quartas-de-final com a anfitriã Itália. A Alemanha Ocidental venceu a Tchecoslováquia com um pênalti de Lothar Matthäus aos 25 minutos do segundo tempo.
A partida mais intrigante das quartas de final foi entre Inglaterra e Camarões. Além de tudo, foi a única partida das quartas-de-final a produzir mais de um gol. Apesar da heroicidade de Camarões no início do torneio, David Platt colocou a Inglaterra na frente aos 25 minutos. No intervalo, Milla foi trazido para a frente. No segundo tempo, o jogo foi virado de cabeça durante um intervalo de cinco minutos: primeiro Camarões recebeu um pênalti do qual Emmanuel Kunde marcou o gol de empate; depois, aos 65 minutos, Eugene Ekeke colocou Camarões à frente. Os Camarões chegaram a oito minutos de chegar às semifinais antes disso, eles sofreram um pênalti, que Gary Lineker converteu. No meio do tempo extra, a Inglaterra recebeu outro pênalti, e Lineker marcou novamente de pênalti. A Inglaterra chegou às semifinais pela primeira vez em 24 anos.
| 30 de junho de 199017 :00 | Argentina  | 0-0 (a.e.t. ) | Iugoslávia | Stadio Comunale, Florença |
| | |
| | Penalidades | | |
| Serrizuela Burruchaga Maradona  Troglio  Dezotti  | 3-2 | Stojković Prosinečki Savićević Brnović Hadžibegić | |
| 30 de junho de 199021 :00 | República da Irlanda  | 0-1 | Itália | StadioOlimpico, Roma |
| | Schillaci 38' . |
| 1 de julho de 199017 :00 | Tchecoslováquia  | 0-1 | Alemanha Ocidental | San Siro, Milão |
| | Matthäus 25' (caneta. ) |
| 1 de julho de 199021 :00 | Camarões  | 2-3 (a.e.t. ) | Inglaterra | Stadio San Paolo, Nápoles |
| Kundé 61' (caneta. ) Ekéké 65' caneta. ) | | Platt 25 ''. Lineker 83' (caneta. ), 105' (caneta. ) |
Semi-finais
A primeira semifinal apresentou a nação anfitriã, a Itália, e a campeã mundial, a Argentina em Nápoles. O 'Totó' Schillaci marcou mais uma vez para colocar a Itália à frente aos 17 minutos, mas Claudio Cannigia empatou a meio do segundo tempo, quebrando a série de lençóis limpos de Walter Zenga durante todo o torneio. Não houve mais gols nos 90 minutos ou na prorrogação, apesar de Maradona (que jogava para Nápoles na Série A na época) ter mostrado vislumbres de magia, mas houve uma expulsão: Ricardo Giusti, da Argentina, recebeu o cartão vermelho no 13º minuto da prorrogação. A Argentina passou nos pênaltis, vencendo o pênalti 4-3 depois de mais heroísmos de Goycochea.
A semifinal entre a Alemanha Ocidental e a Inglaterra no estádio da Juventus em Turim foi sem gols no intervalo. Então, aos 60 minutos, um chute de Andreas Brehme foi desviado por Paul Parker para sua própria rede. A Inglaterra empatou com 10 minutos restantes, Gary Lineker foi o goleador. O jogo terminou em 1-1. O tempo extra deu mais chances e Klinsmann foi culpado de duas falhas gritantes enquanto ambos os lados acertaram uma trave. A Inglaterra teve outro gol de Platt anulado por impedimento. A partida foi para os pênaltis e a Alemanha Ocidental venceu o 4-3.
| 3 de julho de 199020 :00 | Argentina  | 1-1 (a.e.t. ) | Itália | Stadio San Paolo, Nápoles |
| Caniggia 67' | | Schillaci 17''. |
| | Penalidades | | |
| Serrizuela Burruchaga  Olarticoechea Maradona  | 4-3 | Baresi Baggio De Agostini Donadoni Serena | |
| 4 de julho de 199020 :00 | Alemanha Ocidental  | 1-1 (a.e.t. ) | Inglaterra | Stadio delle Alpi, Turim |
| Brehme 60' | | Lineker 80''. |
| | Penalidades | | |
| Brehme  Matthäus Riedle Thon  | 4-3 | Lineker Beardsley Platt Pearce Waddle | |
Partida em terceiro lugar
O jogo teve três gols em um período de 15 minutos. Roberto Baggio abriu o placar após um raro erro do goleiro inglês Peter Shilton, em seu último jogo antes da aposentadoria internacional, apresentou uma oportunidade simples. Uma cabeçada de David Platt empatou o jogo 10 minutos depois, mas Schillaci cometeu falta na grande área cinco minutos depois, levando a um pênalti. O próprio Schillaci se levantou para converter o chute e ganhar a Chuteira de Ouro do torneio para a sua contagem de seis gols. Nicola Berti teve um gol descartado minutos depois, mas os anfitriões conquistaram o terceiro lugar. A Inglaterra teve o prêmio de consolação do prêmio Fair Play, não tendo recebido nenhum cartão vermelho e o menor número médio de amarelos por partida.
| 7 de julho de 199020 :00 | Itália  | 2-1 | Inglaterra | Stadio San Nicola, Bari |
| Baggio 71' . Schillaci 86' (caneta. ) | | Platt 81" . |
Final
A final entre a Alemanha Ocidental e a Argentina foi citada como a mais cínica e de menor qualidade de todas as finais da Copa do Mundo. Aos 65 minutos, o argentino Pedro Monzon foi expulso por falta em Jürgen Klinsmann, o primeiro jogador a ser expulso em uma final de Copa do Mundo.
A Argentina, enfraquecida pela suspensão e lesões, ofereceu pouca ameaça de ataque durante uma disputa dominada pelos alemães ocidentais, que lutaram para criar muitas oportunidades claras de marcar gols. O único gol da competição chegou aos 85 minutos quando o árbitro mexicano Edgardo Codesal concedeu um pênalti à Alemanha Ocidental, após uma falta cometida por Roberto Sensini contra Rudi Völler. Andreas Brehme, que mais tarde disse que não havia falta, converteu o chute de pênalti para resolver a disputa. Nos momentos finais, a Argentina foi reduzida a nove depois que Gustavo Dezotti recebeu o segundo cartão amarelo do jogo, quando ele levou Jürgen Kohler ao chão durante uma paralisação no jogo. O placar de 1-0 proporcionou outro primeiro: A Argentina foi o primeiro time a não marcar um gol em uma final de Copa do Mundo.
Com seu terceiro título (e três segundos lugares), a Alemanha Ocidental - em seu último torneio antes da reunificação nacional - tornou-se a nação mais bem-sucedida da Copa do Mundo na época. Franz Beckenbauer, gerente da Alemanha Ocidental, tornou-se o único homem a ser capitão (em 1974) e a administrar um time vencedor da Copa do Mundo, e apenas o segundo homem (depois de Mário Zagallo do Brasil) a ganhar a Copa do Mundo como jogador e como gerente de equipe. Foi também a primeira vez que um time da UEFA venceu a final contra um time não europeu.