De damallsvenska serieledarna gick in som underdogs i Champions League-kvalet på Stadio Pozzo Lamarmora utanför Turin.
Men när Svea Rehnberg rakade in ledningsmålet från en meters avstånd i den 28:e minuten tändes hoppet till avancemang på riktigt.
Tio minuter senare var det dock kvitterat och matchen gick till förlängning i ställning 1–1 efter full tid.
Japanskan tvåmålsskytt
Där tog det stopp för Hammarby när Juventus nyförvärv Remina Chiba efter fyra minuter vek in från högerkanten och borrade upp ett skott i bortre krysset.
Tio minuter senare gjorde japanskan sitt andra när hon nickade in bollen över Hammarby-målvakten Cajsa Andersson, som missbedömde bollbanan rejält.
Förlusten innebär att ”Bajen” senare i höst i stället får sikta in sig på Women’s Europa Cup. Lottningen sker på tisdag i turneringen som Häcken vann förra säsongen genom att slå just Hammarby i finalen.
Även Malmö FF slogs ut ur Champions League-kvalet under lördagen genom att förlora mot Eintracht Frankfurt.