La selección local se había adelantado por medio de David Luiz en el minuto 18 y Alexis Sánchez había igualado en el minuto '32.
Tras una prórroga sin goles, Gonzalo Jara tiró al poste el último lanzamiento de Chile y dio el pase a Brasil.
Además de Jara, falló Mauricio Pinilla, que casi marca el de la ventaja antes de terminar la prórroga, con un tiro que fue a los guantes de Julio Cesar, que también defendió el cobro de Alexis Sánchez.
Brasil se enfrentará ahora en cuartos de final al vencedor entre Colombia y Uruguay, que chocan en el segundo partido de este sábado.
Brasil
Anotaron: David Luiz, Marcelo y Neymar
Malograron: Willian y Hulk.
Chile
Anotaron: Aránguiz, y Díaz.
Malograron: Pinilla, Sánchez y Jara.