La faza eliminatorie au participat cele 16 echipe care s-au calificat din faza grupelor turneului. Au existat patru runde de meciuri, fiecare rundă eliminând jumătate din echipele care intrau în runda respectivă. Rundele succesive au fost: 16-imile de finală, sferturile de finală, semifinalele, finala. A existat, de asemenea, un baraj pentru a decide locul trei/patru. Pentru fiecare meci din faza eliminatorie, orice egalitate în minutul 90 era urmată de 30 de minute de prelungiri; dacă scorul era în continuare egal, avea loc o lovitură de departajare (cel puțin cinci penalty-uri de fiecare, și mai multe dacă era necesar) pentru a determina cine trecea în runda următoare. Scorurile după prelungiri sunt indicate cu (aet), iar cele de la penalty-uri sunt indicate cu (p).
| Turneul 16 | | Sferturile de finală | | Semifinalele | | Final |
| | | | | | | | | | | | | | |
| 24 iunie - Torino | | | | | | | | | |
|
| Brazilia | 0 |
| 30 iunie - Florența |
| Argentina | 1 | |
| Argentina (p) | 0 (3) |
| 26 iunie - Verona |
| | Iugoslavia | 0 (2) | |
| Spania | 1 |
| | 3 iulie - Napoli |
| Iugoslavia (aet) | 2 | |
| Argentina (p) | 1 (4) |
| 25 iunie - Genova |
| | Italia | 1 (3) | |
| Republica Irlanda (p) | 0 (5) |
| 30 iunie - Roma | |
| România | 0 (4) | |
| Republica Irlanda | 0 |
| 25 iunie - Roma |
| | Italia | 1 | |
| Italia | 2 |
| | 8 iulie - Roma |
| Uruguay | 0 | |
| Argentina | 0 |
| 23 iunie - Bari |
| | Germania de Vest | 1 |
| Cehoslovacia | 4 |
| 1 iulie - Milano | |
| Costa Rica | 1 | |
| Cehoslovacia | 0 |
| 24 iunie - Milano |
| | Germania de Vest | 1 | |
| Germania de Vest | 2 |
| | 4 iulie - Torino |
| Olanda | 1 | |
| Germania de Vest (p) | 1 (4) |
| 23 iunie - Napoli |
| | Anglia | 1 (3) | | Locul al treilea |
| Camerun (aet) | 2 |
| 1 iulie - Napoli | | 7 iulie - Bari |
| Columbia | 1 | |
| Camerun | 2 | Italia | 2 |
| 26 iunie - Bologna |
| | Anglia (aet) | 3 | | Anglia | 1 |
| Anglia (aet) | 1 |
| | |
| Belgia | 0 | |
|
Turneul 16
Două dintre meciuri - Argentina - Brazilia și Italia - Uruguay - au pus față în față foste țări campioane, iar Germania de Vest a întâlnit Olanda într-o revanșă a finalei Cupei Mondiale din 1974.
Meciul din America de Sud a fost câștigat de Argentina printr-un gol marcat de Claudio Caniggia cu 10 minute înainte de final, după o cursă prin apărarea braziliană a lui Diego Maradona și o prestație remarcabilă a portarului Sergio Goycochea. Ulterior, se va afla că lui Branco i s-a oferit apă cu tranchilizante de către Maradona și Ricardo Giusti în timpul pauzei, pentru a-l încetini în repriza a doua. Inițial discreditat de presă, Branco avea să i se dea dreptate public ani mai târziu, când Maradona a mărturisit episodul într-o emisiune TV din Argentina. În ceea ce privește Italia, grație unei evoluții bune în repriza a doua, gazdele au învins Uruguay cu 2-0, grație unui nou gol al lui Schillaci și a unuia al lui Aldo Serena.
Meciul dintre Germania de Vest și Olanda a avut loc la Milano, iar ambele echipe au avut în componență mai mulți jucători notabili de la cele două cluburi milaneze (germanii Andreas Brehme, Lothar Matthäus și Jürgen Klinsmann pentru Internazionale, și olandezii Marco van Basten, Ruud Gullit și Frank Rijkaard pentru Milan). După 22 minute, Rudi Völler și Rijkaard au fost amândoi eliminați după ce o serie de incidente (inclusiv Rijkaard l-a scuipat pe Völler) între cei doi jucători nu i-au lăsat arbitrului argentinian altă opțiune decât să-i elimine pe amândoi. În timp ce jucătorii ieșeau împreună de pe teren, Rijkaard l-a scuipat a doua oară pe Völler. La începutul reprizei a doua, Jürgen Klinsmann a adus Germania de Vest în avantaj, iar Andreas Brehme a adăugat un al doilea gol cu opt minute înainte de final. Un penalty obținut de Ronald Koeman pentru Olanda în minutul 89 a redus scorul la 2-1, dar germanii au dus meciul până la capăt pentru a-și lua revanșa pentru eliminarea în fața olandezilor de la precedentul Campionat European.
Între timp, eroismele Camerunului și ale lui Roger Milla au continuat în meciul cu Columbia. Milla a fost introdus ca rezervă în repriza a doua, când meciul era fără gol, și a reușit în cele din urmă să deschidă scorul la jumătatea prelungirii. Trei minute mai târziu, el a înscris un al doilea gol după ce portarul columbian, René Higuita, a fost deposedat de Milla în timp ce se afla la mare distanță de poartă, lăsându-l pe atacant liber să introducă mingea în poarta goală. Deși deficitul a fost redus în scurt timp la 2-1, Camerun a rezistat și a devenit prima echipă africană care a ajuns în sferturile de finală ale Cupei Mondiale. Costa Rica a fost învinsă fără probleme cu 4-1 de Cehoslovacia, pentru care Tomáš Skuhravý a marcat al doilea și ultimul hat-trick al turneului.
Meciul dintre Republica Irlanda și România a rămas fără goluri după prelungiri, iar irlandezii s-au impus cu 5-4 la penalty-uri. David O'Leary a transformat penalty-ul care a asigurat calificarea Irlandei în sferturile de finală. Irlanda a devenit astfel prima echipă de la Suedia, în 1938, care a ajuns în sferturile de finală ale unui turneu final al Cupei Mondiale fără să câștige un meci direct. Iugoslavia a învins Spania cu 2-1 după prelungiri, ambele goluri ale iugoslavilor fiind marcate de Dragan Stojković. Anglia a fost ultima calificată în fața Belgiei, iar voleiul rotitor al mijlocașului David Platt a întrerupt egalitatea, când meciul era la câteva momente de a se ajunge la loviturile de departajare.
| Camerun  | 2-1 (ș.a.m.d. ) | Columbia |
| Milla 106', 109' | | Redín 115' |
| Cehoslovacia  | 4-1 | Costa Rica |
| Skuhravý 12', 63', 82' Kubík 75' | | González 54' |
| Brazilia .svg.png) | 0-1 | Argentina |
| | Caniggia 80' |
Stadio delle Alpi, Torino
Stadio Luigi Ferraris, Genova
| Italia  | 2-0 | Uruguay |
| Schillaci 65' Serena 83' | | |
| Spania  | 1-2 (ș.a.m.d. ) | Iugoslavia |
| Salinas 83' | | Stojković 78', 92' |
Stadio Marc'Antonio Bentegodi, Verona
| Anglia  | 1-0 (ș.a.m.d. ) | Belgia |
| Platt 119' | | |
Stadio Renato Dall'Ara, Bologna
Sferturile de finală
În primul meci din optimi, Argentina și o echipă iugoslavă, redusă în 10 oameni după doar o jumătate de oră, au terminat la egalitate fără goluri. Deținătoarea trofeului a ajuns în semifinale după ce a câștigat la penalty-uri cu 3-2, în ciuda faptului că Maradona a avut penalty-ul apărat. O a doua ratare a argentinienilor (de către Pedro Troglio) părea să-i elimine, până când portarul Sergio Goycochea - care a jucat pentru că Nery Pumpido, prima opțiune, și-a rupt piciorul în timpul fazei grupelor - și-a salvat echipa prin oprirea ultimelor două lovituri de pedeapsă ale iugoslavilor.
Parcursul Republicii Irlanda la Cupa Mondială s-a încheiat cu un singur gol al lui Schillaci în prima repriză a sfertului de finală cu gazda Italia. Germania de Vest a învins Cehoslovacia cu un penalty obținut de Lothar Matthäus în minutul 25.
Cel mai interesant meci al sferturilor de finală a fost cel dintre Anglia și Camerun. În afară de orice altceva, a fost singurul sfert de finală care a produs mai mult de un gol. În ciuda eroismului Camerunului de la începutul turneului, David Platt a adus Anglia în avantaj în minutul 25. La pauză, Milla a fost introdus pe teren. În repriza a doua, meciul a fost dat peste cap pe parcursul a cinci minute: mai întâi, Camerunului i s-a acordat un penalty din care Emmanuel Kunde a marcat golul egalizator; apoi, în minutul 65, Eugene Ekeke a adus Camerunul în avantaj. Camerun a fost la opt minute de a ajunge în semifinale înainte ca apoi să primească un penalty, pe care Gary Lineker l-a transformat. La jumătatea prelungirii, Anglia a primit un alt penalty, iar Lineker a marcat din nou din penalty. Anglia s-a calificat în semifinale pentru prima dată în ultimii 24 de ani.
| Republica Irlanda  | 0-1 | Italia |
| | Schillaci 38' |
| Camerun  | 2-3 (ș.a.m.d. ) | Anglia |
| Kundé 61' (pen. ) Ekékéké 65' | | Platt 25' Lineker 83' (pen. ), 105' (pen. ) |
Semifinalele
Prima semifinală a opus țara gazdă, Italia, și campioana mondială, Argentina, la Napoli. 'Toto' Schillaci a marcat din nou pentru a aduce Italia în avantaj în minutul 17, dar Claudio Cannigia a egalat la jumătatea reprizei secunde, întrerupând seria de meciuri fără gol primit de Walter Zenga de-a lungul turneului. Nu au mai fost alte goluri în cele 90 de minute sau în prelungiri, în ciuda faptului că Maradona (care juca pentru Napoli în Serie A la acea vreme) a dat semne de magie, dar a fost eliminat: Argentinianul Ricardo Giusti a primit cartonașul roșu în minutul 13 al prelungirilor. Argentina s-a calificat la penalty-uri, câștigând la loviturile de departajare cu 4-3, după alte reușite eroice ale lui Goycochea.
Semifinala dintre Germania de Vest și Anglia, disputată pe stadionul lui Juventus din Torino, s-a încheiat la egalitate la pauză. Apoi, în minutul 60, un șut al lui Andreas Brehme a fost deviat de Paul Parker în propria poartă. Anglia a egalat cu 10 minute înainte de final, Gary Lineker a fost autorul golului. Meciul s-a încheiat cu scorul de 1-1. Prelungirile au adus mai multe ocazii, iar Klinsmann s-a făcut vinovat de două ratări flagrante, în timp ce ambele echipe au lovit câte un stâlp. Angliei i s-a anulat un alt gol al lui Platt pentru offside. Meciul a ajuns la penalty-uri, iar Germania de Vest s-a impus cu 4-3.
Stadio delle Alpi, Torino
Meciul pentru locul trei
În acest meci s-au marcat trei goluri într-un interval de 15 minute. Roberto Baggio a deschis scorul după ce o greșeală rară a portarului englez Peter Shilton, aflat la ultimul său meci înainte de retragerea internațională, a oferit o ocazie simplă. O lovitură de cap a lui David Platt a egalat 10 minute mai târziu, dar Schillaci a fost faultat în suprafața de pedeapsă cinci minute mai târziu, ceea ce a dus la un penalty. Schillaci însuși s-a ridicat și a transformat lovitura de pedeapsă, ceea ce i-a adus Gheata de Aur a turneului pentru cele șase goluri marcate. Nicola Berti a avut un gol anulat câteva minute mai târziu, dar gazdele au obținut locul trei. Anglia a avut ca premiu de consolare premiul Fair Play, deoarece nu a primit niciun cartonaș roșu și a avut cea mai mică medie de galbene pe meci.
| Italia  | 2-1 | Anglia |
| Baggio 71' Schillaci 86' (pen. ) | | Platt 81' |
Final
Finala dintre Germania de Vest și Argentina a fost citată ca fiind cea mai cinică și de cea mai slabă calitate dintre toate finalele Cupei Mondiale. În minutul 65, argentinianul Pedro Monzon a fost eliminat pentru un fault asupra lui Jürgen Klinsmann, fiind primul jucător eliminat vreodată într-o finală de Cupa Mondială.
Argentina, slăbită de suspendări și accidentări, a oferit puține amenințări în atac pe tot parcursul unei competiții dominate de vest-germani, care s-au chinuit să își creeze multe ocazii clare de gol. Singurul gol al competiției a venit în minutul 85, când arbitrul mexican Edgardo Codesal a acordat un penalty Germaniei de Vest, după un fault comis de Roberto Sensini asupra lui Rudi Völler. Andreas Brehme, care a declarat ulterior că nu a existat niciun fault, a transformat lovitura de pedeapsă pentru a tranșa disputa. În ultimele momente, Argentina a rămas în nouă după ce Gustavo Dezotti a primit al doilea cartonaș galben al meciului, când l-a trântit la pământ pe Jürgen Kohler în timpul unei întreruperi a jocului. Scorul de 1-0 a oferit o altă premieră: Argentina a fost prima echipă care nu a reușit să înscrie într-o finală de Cupa Mondială.
Cu cel de-al treilea titlu (și trei locuri doi), Germania de Vest - aflată la ultimul său turneu înainte de reunificarea națională - a devenit cea mai de succes națiune participantă la Cupa Mondială la acea vreme. Managerul vest-german Franz Beckenbauer a devenit singurul om care a fost atât căpitan (în 1974), cât și manager al unei echipe câștigătoare a Cupei Mondiale, și doar al doilea om (după brazilianul Mário Zagallo) care a câștigat Cupa Mondială ca jucător și ca manager de echipă. A fost, de asemenea, prima dată când o echipă din UEFA a câștigat finala împotriva unei echipe non-europene.
| Germania de Vest  | 1-0 | Argentina |
| Brehme 85' (pen. ) | | |
Arbitru:
Edgardo Codessal