I knockoutfasen deltog de 16 hold, der kvalificerede sig fra gruppespillet i turneringen. Der var fire spillerunder, hvor hver runde eliminerede halvdelen af de hold, der deltog i den pågældende runde. De på hinanden følgende runder var: ottendedelsfinaler, kvartfinaler, semifinaler og finaler. Der var også et slutspil om tredje/fjerdepladsen. For hver kamp i knockoutfasen blev uafgjort efter 90 minutter efterfulgt af 30 minutters forlænget spilletid; hvis stillingen stadig var lige, skulle der straffesparkskonkurrence (mindst fem straffespark hver, og flere om nødvendigt) til afgørelse af, hvem der gik videre til næste runde. Resultater efter forlænget spilletid er angivet med (aet), og straffesparkskonkurrencer er angivet med (p).
| Ottendedelsfinale | | Kvartfinalerne | | Semifinaler | | Endelig |
| | | | | | | | | | | | | | |
| 24. juni - Torino | | | | | | | | | |
|
| Brasilien | 0 |
| 30. juni - Firenze |
| Argentina | 1 | |
| Argentina (p) | 0 (3) |
| 26. juni - Verona |
| | Jugoslavien | 0 (2) | |
| Spanien | 1 |
| | 3. juli - Napoli |
| Jugoslavien (aet) | 2 | |
| Argentina (p) | 1 (4) |
| 25. juni - Genova |
| | Italien | 1 (3) | |
| Republikken Irland (p) | 0 (5) |
| 30. juni - Rom | |
| Rumænien | 0 (4) | |
| Republikken Irland | 0 |
| 25. juni - Rom |
| | Italien | 1 | |
| Italien | 2 |
| | 8. juli - Rom |
| Uruguay | 0 | |
| Argentina | 0 |
| 23. juni - Bari |
| | Vesttyskland | 1 |
| Tjekkoslovakiet | 4 |
| 1. juli - Milano | |
| Costa Rica | 1 | |
| Tjekkoslovakiet | 0 |
| 24. juni - Milano |
| | Vesttyskland | 1 | |
| Vesttyskland | 2 |
| | 4. juli - Torino |
| Nederlandene | 1 | |
| Vesttyskland (p) | 1 (4) |
| 23. juni - Napoli |
| | England | 1 (3) | | Tredje plads |
| Cameroun (aet) | 2 |
| 1. juli - Napoli | | 7. juli - Bari |
| Colombia | 1 | |
| Cameroun | 2 | Italien | 2 |
| 26. juni - Bologna |
| | England (aet) | 3 | | England | 1 |
| England (aet) | 1 |
| | |
| Belgien | 0 | |
|
Ottendedelsfinale
To af kampene - Argentina mod Brasilien og Italien mod Uruguay - satte tidligere mesterlande over for hinanden, og Vesttyskland mødte Holland i en kamp, der var en gentagelse af VM-finalen fra 1974.
Den sydamerikanske kamp blev vundet af Argentina ved et mål af Claudio Caniggia med 10 minutter tilbage efter et løb gennem det brasilianske forsvar af Diego Maradona og en fremragende præstation af deres målmand Sergio Goycochea. Senere kom det frem, at Branco havde fået tilbudt vand tilsat beroligende midler af Maradona og Ricardo Giusti i pausen for at bremse ham i anden halvleg. I første omgang blev Branco miskrediteret af pressen, men år senere fik Branco offentligt ret, da Maradona indrømmede episoden i et tv-show i Argentina. Hvad angår Italien, slog værterne Uruguay med 2-0 efter en stærk anden halvleg takket være endnu et mål af Schillaci og et af Aldo Serena.
Kampen mellem Vesttyskland og Holland blev afviklet i Milano, og på begge hold var der flere kendte spillere fra de to Milano-klubber (tyskerne Andreas Brehme, Lothar Matthäus og Jürgen Klinsmann for Internazionale og hollænderne Marco van Basten, Ruud Gullit og Frank Rijkaard for Milan). Efter 22 minutter blev Rudi Völler og Rijkaard begge udvist efter en række episoder (herunder at Rijkaard spyttede på Völler) mellem de to spillere, som ikke gav den argentinske dommer andet valg end at sende dem begge ud. Da spillerne gik fra banen sammen, spyttede Rijkaard på Völler endnu en gang. I begyndelsen af anden halvleg bragte Jürgen Klinsmann vesttyskerne foran, og Andreas Brehme lagde ud med otte minutter igen. Et Ronald Koeman-straffe for Holland i det 89. minut reducerede til 2-1, men tyskerne så kampen ud for at få revanche for deres exit til hollænderne ved det forrige EM.
I mellemtiden fortsatte Camerouns og Roger Millas heltegerninger i kampen mod Colombia. Milla blev indskiftet i anden halvleg, da kampen var uden mål, og han fik til sidst udlignet midtvejs i tillægstiden. Tre minutter senere scorede han endnu et mål, efter at den colombianske målmand, René Higuita, var blevet afkræftet af Milla, mens han var et godt stykke uden for sit mål, og angriberen var fri til at sende bolden ind i det tomme mål. Selv om underskuddet hurtigt blev reduceret til 2-1, holdt Cameroun stand og blev det første afrikanske hold nogensinde til at nå kvartfinalen ved VM. Costa Rica blev komfortabelt slået 4-1 af Tjekkoslovakiet, for hvem Tomáš Skuhravý scorede turneringens andet og sidste hattrick.
Republikken Irlands kamp mod Rumænien var målløs efter forlænget spilletid, og Irland vandt 5-4 efter straffesparkskonkurrence. David O'Leary omsatte det straffespark, der sikrede Irland en plads i kvartfinalen. Irland blev dermed det første hold siden Sverige i 1938, der nåede blandt de sidste otte i en VM-slutrunde uden at have vundet en kamp uden at vinde en kamp på forhånd. Jugoslavien slog Spanien med 2-1 efter forlænget spilletid, hvor Dragan Stojković scorede begge jugoslavernes mål. England var den sidste kvalifikationskamp mod Belgien, da midtbanespilleren David Platt med en svingende volley bragte dødvandet ud af banen, mens kampen var få øjeblikke fra en straffesparkskonkurrence.
| Cameroun  | 2-1 (a.e.t.) | Colombia |
| Milla 106', 109' | | Redín 115' |
| Tjekkoslovakiet  | 4-1 | Costa Rica |
| Skuhravý 12', 63', 82' Kubík 75' | | González 54' |
Stadio delle Alpi, Torino
| Vesttyskland  | 2-1 | Nederlandene |
| Klinsmann 51' Brehme 82' | | R. Koeman 89' (pen.) |
Stadio Luigi Ferraris, Genoa
| Italien  | 2-0 | Uruguay |
| Schillaci 65' Serena 83' | | |
| Spanien  | 1-2 (a.e.t.) | Jugoslavien |
| Salinas 83' | | Stojković 78', 92' |
Stadio Marc'Antonio Bentegodi, Verona
| England  | 1-0 (a.e.t.) | Belgien |
| Platt 119' | | |
Stadio Renato Dall'Ara, Bologna
Kvartfinalerne
I den første kamp i ottendedelsfinalerne spillede Argentina og et jugoslavisk hold, der blev reduceret til 10 mand efter kun en halv time, en målløs kamp. Holdet nåede semifinalen efter at have vundet straffesparkskonkurrencen med 3-2, selv om Maradona fik reddet sit straffespark. En anden argentinsk fejlskud (af Pedro Troglio) så ud til at have elimineret dem, indtil målmand Sergio Goycochea - der spillede, fordi førstevalget Nery Pumpido brækkede benet i gruppespillet - reddede sit hold ved at stoppe jugoslavernes to sidste straffespark.
Republikken Irlands VM-turnering blev afsluttet med et enkelt mål af Schillaci i første halvleg af kvartfinalen mod værterne i Italien. Vesttyskland slog Tjekkoslovakiet med et straffespark fra Lothar Matthäus i det 25. minut.
Den mest spændende kamp i kvartfinalerne var mellem England og Cameroun. Bortset fra alt andet var det den eneste kvartfinale, hvor der blev scoret mere end ét mål. På trods af Camerouns heltegerninger tidligere i turneringen bragte David Platt England foran i det 25. minut. I pausen blev Milla skiftet ind. I anden halvleg blev kampen vendt på hovedet i løbet af fem minutter: Først fik Cameroun tilkendt et straffespark, som Emmanuel Kunde scorede udligningen på, og i det 65. minut bragte Eugene Ekeke Cameroun foran. Cameroun var otte minutter fra at nå semifinalen, før de tilkendte et straffespark, som Gary Lineker omsatte. Midtvejs i tillægstiden fik England tildelt endnu et straffespark, og Lineker scorede igen fra pletten. England var videre til semifinalen for første gang i 24 år.
| Republikken Irland  | 0-1 | Italien |
| | Schillaci 38' |
| Cameroun  | 2-3 (a.e.t.) | England |
| Kundé 61' (pen.) Ekéké 65' | | Platt 25' Lineker 83' (pen.), 105' (pen.) |
Semifinaler
I den første semifinale mødtes værtsnationen Italien og verdensmesteren Argentina i Napoli. "Toto" Schillaci scorede endnu en gang og bragte Italien foran i det 17. minut, men Claudio Cannigia udlignede midtvejs i anden halvleg og brød dermed Walter Zengas række af clean sheets i hele turneringen. Der blev ikke scoret flere mål i de 90 minutter eller i tillægstiden, selv om Maradona (som dengang spillede for Napoli i Serie A) viste glimt af magi, men der var en udvisning: Ricardo Giusti fra Argentina fik det røde kort i det 13. minut af tillægstiden. Argentina gik videre efter straffesparkskonkurrence og vandt 4-3 efter flere heltegerninger fra Goycochea.
Semifinalen mellem Vesttyskland og England på Juventus' hjemmebane i Torino var målløs ved halvleg. Så i det 60. minut blev et skud fra Andreas Brehme afvist af Paul Parker i eget net af Paul Parker. England udlignede med 10 minutter tilbage, Gary Lineker blev målscorer. Kampen endte 1-1. Ekstratiden gav flere chancer, og Klinsmann var skyldig i to klokkeklare fejl, mens begge hold ramte et indlæg. England fik endnu et Platt-mål underkendt for offside. Kampen gik til straffesparkskonkurrence, og Vesttyskland gik videre og vandt 4-3.
Stadio delle Alpi, Torino
Kamp om tredjepladsen
Der blev scoret tre mål i løbet af et kvarter. Roberto Baggio åbnede scoringen efter en sjælden fejl af den engelske målmand Peter Shilton, der i sin sidste kamp inden sin internationale pensionering, fik en simpel mulighed. Et hovedstød af David Platt udlignede 10 minutter senere, men Schillaci blev fem minutter senere begået en fejl i straffesparksfeltet, hvilket førte til et straffespark. Schillaci rejste sig selv op og omsatte sparket, så han vandt turneringens gyldne støvle for sine seks mål. Nicola Berti fik et mål annulleret minutter senere, men værterne sikrede sig tredjepladsen. England fik trøsteprisen i form af Fair Play-prisen, da de ikke modtog nogen røde kort og havde det laveste gennemsnitlige antal gule kort pr. kamp.
| Italien  | 2-1 | England |
| Baggio 71' Schillaci 86' (pen.) | | Platt 81' |
Endelig
Finalen mellem Vesttyskland og Argentina er blevet omtalt som den mest kyniske og dårligste af alle VM-finalerne. I det 65. minut blev Argentinas Pedro Monzon udvist for en forseelse mod Jürgen Klinsmann, hvilket var den første spiller nogensinde til at blive udvist i en VM-finale.
Argentina, der var svækket af suspensioner og skader, udviste ikke megen offensiv trussel i en kamp, der blev domineret af vesttyskerne, som havde svært ved at skabe mange klare målchancer. Kampens eneste mål faldt i det 85. minut, da den mexicanske dommer Edgardo Codesal tildelte Vesttyskland et straffespark efter en forseelse mod Rudi Völler af Roberto Sensini. Andreas Brehme, der senere sagde, at der ikke var tale om en fejl, omsatte straffesparket til en afgørelse i kampen. I slutminutterne blev Argentina reduceret til ni, efter at Gustavo Dezotti fik kampens andet gule kort, da han trak Jürgen Kohler til jorden under en afbrydelse af spillet. 1-0-scoringen gav endnu en premiere: Argentina var det første hold, der ikke scorede i en VM-finale.
Med sin tredje titel (og tre andenpladser) blev Vesttyskland - i sin sidste turnering inden den nationale genforening - den mest succesfulde VM-nation på det tidspunkt. Den vesttyske manager Franz Beckenbauer blev den eneste mand, der både var anfører (i 1974) og leder et hold, der vandt et VM, og kun den anden mand (efter Mário Zagallo fra Brasilien), der vandt VM som spiller og som holdleder. Det var også første gang, at et hold fra UEFA vandt finalen mod et ikke-europæisk hold.
| Vesttyskland  | 1-0 | Argentina |
| Brehme 85' (pen.) | | |
Dommer:
Edgardo Codessal