El portero ruso Igor Akinfeev se convirtió en el héroe del partido, al atajar los disparos de Koke e Iago Aspas desde los 11 metros, desatando escenas de delirio en el Estadio Luzhniki de Moscú.
La 'Roja' sigue así con su maldición frente a las selecciones anfitrionas y se suma a Alemania, Argentina y Portugal en la lista de favoritas en caer eliminadas del Mundial.
Con un 80% de la posesión, España fue incapaz de transformar el dominio del balón en ocasiones claras.
Al minuto 11, un gol en propia puerta de Sergey Ignashevich puso a España por delante.
A partir de ahí, la 'Roja' controló el balón y parecía cómoda en el campo, pero un penalti, transformado por Dzyuba, por una mano de Gerard Piqué en el área al borde del descanso puso de nuevo la igualada en el marcador.
En la segunda parte, España siguió dominando la pelota, pero sin imaginación y sin generar peligro real en el área rival.
Solo Andrés Iniesta —quien entró en la segunda mitad tras sorpresivamente quedar fuera del 11 titular— amenazó con romper el punto muerto para España, mientras el volumen dentro del Luzhniki aumentaba cuando los seguidores rusos sentían que su equipo podía seguir adelante.
El partido se fue a la prórroga, donde los españoles dispusieron de algunas oportunidades más claras e incluso reclamaron un penalti que el VAR no concedió por agarrón a Sergio Ramos y Piqué en el área.
Akinfeev le negó un gol a Rodrigo en la ocasión más clara para los españoles en la prórroga.
En la tanda de penaltis, Akinfeev atajó los disparos de Koke y Aspas y dio la clasificación a su selección a los cuartos de final.
Con este partido, España perdió tres de sus cuatro tantas de penaltis en la Copa del Mundo, luego de caer de esta manera también en 1986 contra Bélgica y en 2002 contra Corea del Sur.
Un Mundial turbulento para España
Este Mundial empezó para España con el despido de su seleccionador a dos días del inicio de la competición.
El presidente de la Real Federación Española de Fútbol, Luis Rubiales, destituyó a Julen Lopetegui después del anuncio de su fichaje por el Real Madrid.
Hierro, quien ocupaba el cargo de director deportivo de la Federación, tuvo que hacerse cargo del equipo de forma inmediata, aunque muchos señalaron su falta de experiencia como entrenador.
El que fue defensa del Real Madrid durante 14 temporadas, apenas estuvo un año como primer técnico del Real Oviedo, un equipo español de segunda división.
Anteriormente, en 2014-2015 fue asistente de Carlo Ancelotti en la última temporada que el italiano estuvo al frente del banquillo madridista.
"Esto es triste, es así. No tengo nada en contra de nadie", dijo Hierro tras la eliminación.
"Sin embargo, sí acepto la responsabilidad. Todos tratamos de dar lo mejor, pero esto es fútbol".
Mientras en las próximas semanas la Federación Española tendrá que decidir si Hierro continúa o no, quien ya anunció su retiro de la selección fue Iniesta, el jugador que con su gol en la final de 2010 le dio su primer Mundial a España.