Stora överraskningen när laguppställningarna släpptes var att den stora hjälten från VM 2010, Andrés Iniesta, fick inleda på bänken. Han spelade alla tre gruppspelsmatcher - men platsade inte i Fernando Hierros startelva mot Ryssland.
Även Thiago Alcantara petades. Ersatte gjorde Marco Asensio och Koke. I Ryssland förpassades Denis Tjerysjev, som Asensio flaggade för som motståndarnas farligaste spelare inför matchen, till en bänkplats.
I den 11:e matchminuten tog Spanien ledningen - efter ett spektakulärt självmål. Rysslands Ignasjevitj var sist på Asensios inläggsfrispark och bollen seglade in förbi en förvånad Akinfejev.
Spaniens lugna passningsorienterade fotboll uppskattes inte av den busvisslande hemmapubliken. När Ryssland, ett par minuter senare, gick till anfall var det till andra, mer lättsamma toner.
Det ryska utropstecknet Aleksandr Golovin fick landslagets första farliga möjlighet. 22-åringen vek in i banan från sin vänsterposition och avlossade från utanför straffområdet - men skottet smet precis utanför David de Geas vänsterstolpe.
Minuten senare tilldömdes Ryssland straff efter det att Gerard Pique stoppat en Dziuba-nick med armen i det egna straffområdet. Anfallaren tog själv hand om straffen - och kvitterade till 1-1 med sitt tredje VM-mål.
Kvitteringen var Rysslands - tidigare Sovjetunionen - första slutspelsmål i ett VM sedan 1986, då Igor Belanov stod för ett hattrick i VM-åttondelen mot Belgien.
1-1 stod sig halvleken ut.
Ryssland genomförde alla sina tre byten inom loppet av de första 20 minuterna av andra halvlek. Tjerysjev kom in - men målskytten Dziuba fick lämna planen en bit in i andra halvlek.
Ett stillastående Spanien hade svårt att komma till några farligare chanser och Hierro valde, i den 68:e minuten, att ersätta David Silva med den petade Iniesta.
Ett förutsägbart mönster följde sedan: Spanien rullade runt på mittfältet och Ryssland jagade. Men ingetdera av landslagen skapade något av värde.
Men så kom då Spaniens stora möjlighet. Först drog Iniesta till på halvvolley, som Akinfejev lyckades styra undan, och i den efterföljande returen var Iago Aspas nära att trycka dit ledningsmålet. Men Ryssland höll undan.
Förlängning.
Spanien tog över allt mer och förlängningen såg ut att ta ut sin rätt på det ryska landslaget. Då bestämde man sig för att skriva historia: Ryssland tog ut Kuzyajev och genomförde sitt fjärde (!) byte - en ny regel i årets VM-slutspel.
I inledningen av förlängningen slog Spanien deras tusende passning; det är fler passningsförsök än vad något annat lag mäktat med i en VM-match sedan 1966.
Men förlängningen slutade mållöst.
Straffläggning:
MÅL, Iniesta: 1-0 Spanien
MÅL, Smolov: 1-1
MÅL, Piqué: 2-1 Spanien
MÅL, Ignasjevitj: 2-2
MISS, Koke: 2-2
MÅL, Golovin: 3-2 Ryssland
MÅL, Ramos: 3-3
MÅL, Tjerysjev: 4-3 Ryssland
MISS, Aspas: 4-3 Ryssland
- Jag är inte matchens lirare, det är vårt lag och våra fans som är matchens lirare, säger ryske målvakten Igor Akinfejev, som räddade två straffar, under presskonferensen.
Ryssland möter nu vinnaren i mötet mellan Kroatien och Danmark.
- Lika stor skräll som att Tyskland kom sist i Sveriges grupp, säger C Mores expert Alexander Axén.
- Det är en mega, megaskskräll, tycker C Mores expert Hasse Backe.
Startelvor:
Spanien: De Gea - Nacho, Pique, Ramos, Alba - Busquets, Koke, Asensio, Silva, Isco - Costa.
Ryssland: Akinfejev - Fernandes, Kutepov, Ignasjevitj, Kudrjasjov - Kuzyajev, Golovin, Zjirkov, Samedov - Dziuba.