Gruppettan Nederländerna gjorde en ändring från den avslutande gruppspelsomgången, då Anouk Dekker ersattes av Stefanie van der Gragt. Däremot fanns den livsfarliga topptrion Van de Sanden-Miedema-Martens med från start igen.
Nederländerna inledde matchen på Roazhon Park bäst. Redan i den femte minuten tog sig Martens fram på vänsterkanten och serverade ett svepande inlägg. På den bortre stolpen fanns Vivianne Miedema, till vardags i Arsenal, som drog till direkt och träffade stolpen, efter att avslutet tagit en riktningsförändring via ett försvarande ben.
I den 17:e minuten fick Martens revansch. Hon tog sig först på en lågt slagen hörna och styrde in bollen i mål. Martens blev därmed den första nederländska damspelaren att göra mål i två VM-slutspel.
Men i den första halvlekens slutskede kom kvitteringen. Detta efter att Iwabuchi serverat Hasegawa med ett finurligt instick i boxen. Ensam med målvaten gjorde hon inget misstag och satte kvitteringsmålet.
Det böljade fram och tillbaka i den andra halvleken. Nederländerna hade ett par farliga chanser - men det var Japan som tog sig närmast ett ledningsmål. Sugita fick bollen på högerkanten, tog med sig bollen och avslossade med vänstern i steget. Men det stenhårda skottet tog i ribban och ut.
Det såg länge ut som att matchen skulle gå till förlängning, men i matchens slutskede testade Nederländernas Miedema att gå på avslut. Skottet tog på försvarande Kumagais arm, och domaren valde efter en VAR-kontroll att ge Nederländerna möjligheten att avgöra från elva meter.
Martens klev fram och rullade in det matchavgörande målet.
Nu väntar Italien, som tidigare i dag besegrade Kina, i kvartsfinal. I en eventuell semifinal står vinnaren i mötet mellan Tyskland eller Sverige för motståndet.
- Jag är ledsen för spelarnas skull. Jag är frustrerad att vi inte kunde ta vara på alla målchanser vi skapade i slutet av matchen. Vi visste att det skulle bli tufft, säger Japans förbundskapten Asako Takakura.
Matchhjälten Martens om Italien:
- Att få spela i Valenciennes igen känns fantastiskt. Senast kändes det som att spela på hemmaplan och vi hoppas på samma stöd igen.
Startelvor:
Nederländerna: Van Veenendaal - Van Lunteren, Van der Gragt, Bloodworth, Van Dongen - Groenen, Van de Donk, Spitse - Van de Sanden, Miedema, Martens.
Japan: Yamashita - Shimizu, Kumagai, Ichise, Sameshima - Nakajima, Miura, Sguita, Hasegawa - Sugasawa, Iwabushi.