Ivan Rakitic se encargó de anotar el quinto y definitivo remate de los croatas desde los doce pasos para darle la clasificación a su país a semifinales.
Un gol de cabeza de Domagoj Vida en el minuto 101 puso a Croacia al frente en el alargue 2-1 pero Mario Fernandes a los 115 minutos, también de cabeza, igualó a dos en el partido jugado en el estadio Olímpico de Sochi.
El ruso Denis Cheryshev había abierto el tanteador para Rusia con un golazo desde fuera del área a los 31 minutos y Andrej Kramaric empatado para los croatas ocho minutos más tarde.
Croatas e ingleses se medirán en semifinales el miércoles a las 18H00 GMT en Moscú. La otra semifinal la protagonizarán el martes a la misma hora, en San Petersburgo, Francia y Bélgica.