Spaniens försvar, med målvakten Unai Simón i spetsen, hade hållit nollan i rekordlånga 650 minuter – VM-turneringens längsta svit utan insläppt mål – innan Belgien hittade rätt i kvartsfinalen under fredagskvällen.
Formstarke Charles De Ketelaer, med två mål i åttondelsfinalen mot USA, nådde bollen precis före mittbacken Pau Cubarsí och nickade dit 1–1.
Drygt tio minuter tidigare hade mittfältaren Fabián Ruiz gett Spanien ledningen.
Den spanska försvarssviten började i det förra världsmästerskapet när man spelade 0–0 mot Marocko i åttondelsfinalen. En drabbning som spanjorerna förlorade efter straffar. I årets VM hade man varken släppt in mål i gruppspelet eller senare i slutspelet – fram till mötet med Belgien.
Det tidigare rekordet hade den italienske målvakten Walter Zenga som höll nollan i fem raka matcher under hemma-VM 1990.
I den andra halvleken åkte Belgien på ett tungt bakslag när stjärnmålvakten Thibaut Courtois tvingades kliva av skadad. I stället kom Senne Lemmens in.
Minuter senare stod Lemmens för en tung tabbe när han släppte retur på ett distansskott. Nyinbytte Mikel Merino, som blev hjälte senast mot Portugal, var påpassligt framme och petade in slutresultatet 2–1.
I semifinalen ställs Spanien mot Frankrike. Matchen spelas på tisdag.