En la fase eliminatoria participaron los 16 equipos que se clasificaron en la fase de grupos del torneo. Hubo cuatro rondas de partidos, y en cada una de ellas se eliminaba a la mitad de los equipos que entraban en esa ronda. Las rondas sucesivas fueron: octavos de final, cuartos de final, semifinales y final. También hubo una eliminatoria para decidir el tercer/cuarto puesto. En cada partido de la fase eliminatoria, cualquier empate a los 90 minutos iba seguido de 30 minutos de prórroga; si los marcadores seguían empatados, había una tanda de penaltis (al menos cinco penaltis cada uno, y más si era necesario) para determinar quién pasaba a la siguiente ronda. Los resultados tras la prórroga se indican con (aet), y las tandas de penaltis se indican con (p).
| Octavos de final | | Cuartos de final | | Semifinales | | Final |
| | | | | | | | | | | | | | |
| 24 de junio - Turín | | | | | | | | | |
|
| .svg.png) Brasil
| 0 |
| 30 de junio - Florencia |
|  Argentina
| 1 | |
| Argentina (p) | 0 (3) |
| 26 de junio - Verona |
| | .svg.png) Yugoslavia
| 0 (2) | |
|  España
| 1 |
| | 3 de julio - Nápoles |
| Yugoslavia (aet) | 2 | |
| Argentina (p) | 1 (4) |
| 25 de junio - Génova |
| |  Italia
| 1 (3) | |
|  República de Irlanda (p)
| 0 (5) |
| 30 de junio - Roma | |
|  Rumanía
| 0 (4) | |
| República de Irlanda | 0 |
| 25 de junio - Roma |
| | Italia | 1 | |
| Italia | 2 |
| | 8 de julio - Roma |
|  Uruguay
| 0 | |
| Argentina | 0 |
| 23 de junio - Bari |
| |  Alemania Occidental
| 1 |
|  Checoslovaquia
| 4 |
| 1 de julio - Milán | |
|  Costa Rica
| 1 | |
| Checoslovaquia | 0 |
| 24 de junio - Milán |
| | Alemania Occidental | 1 | |
| Alemania Occidental | 2 |
| | 4 de julio - Turín |
|  Países Bajos
| 1 | |
| Alemania Occidental (p) | 1 (4) |
| 23 de junio - Nápoles |
| |  Inglaterra
| 1 (3) | | Tercer lugar |
|  Camerún (aet)
| 2 |
| 1 de julio - Nápoles | | 7 de julio - Bari |
|  Colombia
| 1 | |
| Camerún | 2 | Italia | 2 |
| 26 de junio - Bolonia |
| | Inglaterra (aet) | 3 | | Inglaterra | 1 |
| Inglaterra (aet) | 1 |
| | |
| .svg.png) Bélgica
| 0 | |
|
Octavos de final
Dos de las eliminatorias -Argentina contra Brasil e Italia contra Uruguay- enfrentaron a países ex campeones, y Alemania Occidental se enfrentó a Holanda en una revancha de la final de la Copa del Mundo de 1974.
El partido, de carácter totalmente sudamericano, fue ganado por Argentina con un gol de Claudio Caniggia a falta de 10 minutos para el final, tras una carrera a través de la defensa brasileña de Diego Maradona y una actuación sobresaliente de su portero Sergio Goycochea. Más tarde se sabría que Maradona y Ricardo Giusti le habían ofrecido a Branco agua adicionada con tranquilizantes durante el descanso, para frenarlo en el segundo tiempo. Inicialmente desacreditado por la prensa, a Branco se le daría públicamente la razón años después, cuando Maradona confesó el episodio en un programa de televisión en Argentina. En cuanto a Italia, una gran actuación en la segunda parte permitió a los anfitriones vencer a Uruguay por 2-0, gracias a un nuevo gol de Schillaci y otro de Aldo Serena.
El partido entre Alemania Occidental y Holanda se disputó en Milán, y en ambos equipos había varios jugadores notables de los dos clubes milaneses (los alemanes Andreas Brehme, Lothar Matthäus y Jürgen Klinsmann por el Internazionale, y los holandeses Marco van Basten, Ruud Gullit y Frank Rijkaard por el Milan). A los 22 minutos, Rudi Völler y Rijkaard fueron expulsados después de que una serie de incidentes (incluido un escupitajo de Rijkaard a Völler) entre los dos jugadores dejaran al árbitro argentino sin otra opción que expulsar a ambos. Mientras los jugadores salían juntos del campo, Rijkaard escupió a Völler por segunda vez. Al principio de la segunda parte, Jürgen Klinsmann adelantó a los alemanes occidentales y Andreas Brehme añadió un segundo gol a falta de ocho minutos. Un penalti transformado por Ronald Koeman para Holanda en el minuto 89 redujo el marcador a 2-1, pero los alemanes vieron el partido como una revancha por su eliminación ante los holandeses en la anterior Eurocopa.
Mientras tanto, las hazañas de Camerún y Roger Milla continuaron en su partido con Colombia. Milla entró como sustituto en la segunda parte, con el partido sin goles, y acabó rompiendo el empate a mitad de la prórroga. Tres minutos más tarde, marcó un segundo gol después de que el guardameta colombiano, René Higuita, fuera despistado por Milla cuando estaba muy lejos de su portería, dejando al delantero libre para introducir el balón en la red vacía. Aunque la desventaja se redujo pronto a 2-1, Camerún aguantó para convertirse en el primer equipo africano de la historia en alcanzar los cuartos de final del Mundial. Costa Rica cayó cómodamente por 4-1 ante Checoslovaquia, para la que Tomáš Skuhravý marcó el segundo y último triplete del torneo.
El partido de la República de Irlanda contra Rumanía se quedó sin goles tras la prórroga y el equipo irlandés ganó por 5-4 en los penaltis. David O'Leary transformó el penalti que aseguró el pase de Irlanda a los cuartos de final. Irlanda se convirtió así en el primer equipo, desde Suecia en 1938, en llegar a los octavos de final de un torneo de la Copa del Mundo sin haber ganado ningún partido. Yugoslavia venció a España por 2-1 tras la prórroga, con Dragan Stojković como autor de los dos goles de los yugoslavos. Inglaterra se enfrentó a Bélgica en el último partido de la fase de clasificación, y una volea del centrocampista David Platt rompió el empate cuando el partido estaba a punto de llegar a la tanda de penaltis.
| Camerún | 2-1 (a.e.t. ) | Colombia |
| Milla 106', 109' | | Redín 115' |
| Checoslovaquia | 4-1 | Costa Rica |
| Skuhravý 12', 63', 82'
Kubík 75' | | González 54' |
| Brasil | 0-1 | Argentina |
| | Caniggia 80' |
Estadio Luigi Ferraris, Génova
| Italia | 2-0 | Uruguay |
| Schillaci 65'
Serena 83' | | |
| España | 1-2 (a.e.t. ) | Yugoslavia |
| Salinas 83' | | Stojković 78', 92' |
Estadio Marc'Antonio Bentegodi, Verona
Estadio Renato Dall'Ara, Bolonia
Cuartos de final
El primer partido de los octavos de final vio a Argentina y a un equipo yugoslavo, reducido a 10 hombres tras sólo media hora de juego, empatar sin goles. Los defensores del título llegaron a las semifinales tras ganar la tanda de penaltis por 3-2, a pesar de que a Maradona le pararon el penalti. Un segundo fallo argentino (de Pedro Troglio) parecía haberlos eliminado hasta que el portero Sergio Goycochea -que jugaba porque el titular Nery Pumpido se había roto la pierna durante la fase de grupos- rescató a su equipo al detener los dos últimos lanzamientos de los yugoslavos.
La trayectoria de la República de Irlanda en el Mundial llegó a su fin con un único gol de Schillaci en la primera parte de su partido de cuartos de final contra la anfitriona Italia. Alemania Occidental ganó a Checoslovaquia con un penalti de Lothar Matthäus en el minuto 25.
El partido más intrigante de los cuartos de final fue el que enfrentó a Inglaterra y Camerún. Aparte de todo lo demás, fue el único partido de cuartos de final que produjo más de un gol. A pesar de la heroicidad de Camerún en los primeros compases del torneo, David Platt adelantó a Inglaterra en el minuto 25. En el descanso, entró Milla. En la segunda parte, el partido dio un vuelco durante un tramo de cinco minutos: primero se concedió a Camerún un penalti del que Emmanuel Kunde marcó el empate; luego, en el minuto 65, Eugene Ekeke puso a Camerún por delante. Camerún estuvo a ocho minutos de alcanzar las semifinales antes de conceder un penalti, que Gary Lineker transformó. A mediados de la prórroga, Inglaterra recibió otro penalti, y Lineker volvió a marcar desde el punto de penalti. Inglaterra se clasificó para las semifinales por primera vez en 24 años.
| República de Irlanda | 0-1 | Italia |
| | Schillaci 38' |
| Camerún | 2-3 (a.e.t. ) | Inglaterra |
| Kundé 61' (pen. )
Ekéké 65' | | Platt 25'
Lineker 83' (pen. ), 105' (pen. ) |
Semifinales
La primera semifinal enfrentó al país anfitrión, Italia, y al campeón del mundo, Argentina, en Nápoles. El "Toto" Schillaci volvió a marcar para poner a Italia por delante en el minuto 17, pero Claudio Cannigia empató a mediados de la segunda parte, rompiendo la racha de imbatibilidad de Walter Zenga durante todo el torneo. No hubo más goles en los 90 minutos ni en la prórroga, a pesar de que Maradona (que entonces jugaba en el Nápoles en la Serie A) mostró destellos de magia, pero sí hubo una expulsión: El argentino Ricardo Giusti vio la tarjeta roja en el minuto 13 de la prórroga. Argentina pasó a la tanda de penaltis, ganando la tanda por 4-3 tras más heroicidades de Goycochea.
La semifinal entre Alemania Occidental e Inglaterra en el estadio de la Juventus de Turín llegó sin goles al descanso. Luego, en el minuto 60, un disparo de Andreas Brehme fue desviado por Paul Parker a su propia red. Inglaterra empató a falta de 10 minutos para el final, y Gary Lineker fue el autor del gol. El partido terminó 1-1. La prórroga deparó más ocasiones y Klinsmann fue culpable de dos fallos clamorosos, mientras que ambos equipos remataron un poste. A Inglaterra le anularon otro gol de Platt por fuera de juego. El partido se fue a los penaltis y Alemania Occidental ganó el 4-3.
Partido por el tercer puesto
El partido registró tres goles en un lapso de 15 minutos. Roberto Baggio abrió el marcador después de que un raro error del portero inglés Peter Shilton, en su último partido antes de la retirada internacional, le brindara una sencilla oportunidad. Un cabezazo de David Platt igualó el partido 10 minutos después, pero Schillaci recibió una falta en el área penal cinco minutos más tarde, lo que provocó un penalti. El propio Schillaci se levantó para convertir el lanzamiento, lo que le valió la Bota de Oro del torneo por sus seis goles. A Nicola Berti se le anuló un gol minutos después, pero las anfitrionas se hicieron con el tercer puesto. Inglaterra tuvo el premio de consolación del premio al Juego Limpio, por no haber recibido ninguna tarjeta roja y por tener la media más baja de amarillas por partido.
| Italia | 2-1 | Inglaterra |
| Baggio 71'
Schillaci 86' (pen. ) | | Platt 81' |
Final
La final entre Alemania Occidental y Argentina ha sido citada como la más cínica y de menor calidad de todas las finales de la Copa del Mundo. En el minuto 65, el argentino Pedro Monzón fue expulsado por una falta sobre Jürgen Klinsmann, el primer jugador expulsado en una final de la Copa del Mundo.
Argentina, debilitada por las suspensiones y las lesiones, ofreció poca amenaza ofensiva a lo largo de una contienda dominada por los alemanes occidentales, que tuvieron dificultades para crear muchas oportunidades claras de gol. El único gol de la contienda llegó en el minuto 85, cuando el árbitro mexicano Edgardo Codesal concedió un penalti a Alemania Occidental, tras una falta de Roberto Sensini sobre Rudi Völler. Andreas Brehme, que posteriormente dijo que no hubo falta, convirtió el penalti para resolver la contienda. En los instantes finales, Argentina se quedó con nueve después de que Gustavo Dezotti recibiera la segunda tarjeta amarilla del partido al tirar al suelo a Jürgen Kohler durante una interrupción del juego. El resultado de 1-0 supuso otra primicia: Argentina era el primer equipo que no marcaba en una final de la Copa del Mundo.
Con su tercer título (y tres segundos puestos), Alemania Occidental, en su último torneo antes de la reunificación nacional, se convirtió en la nación con más éxito en la Copa del Mundo de la época. El seleccionador de Alemania Occidental, Franz Beckenbauer, se convirtió en el único hombre que ha capitaneado (en 1974) y dirigido a la vez un equipo ganador de la Copa del Mundo, y en el segundo hombre (después de Mário Zagallo, de Brasil) que ha ganado la Copa del Mundo como jugador y como director de equipo. También fue la primera vez que un equipo de la UEFA ganó la final contra un equipo no europeo.
| Alemania Occidental | 1-0 | Argentina |
| Brehme 85' (pen. ) | | |
Árbitro: 
Edgardo Codessal
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