Osaka, tercera jugadora mundial, estuvo al borde de la eliminación con 3-5, 15-40 en su servicio en el tercer set, con dos bolas de partidos en contra, antes de anotar cuatro puntos seguidos.
Después rompió dos veces el servicio de Muguruza, dos veces ganadora de Grand Slam y número 14 del ránking WTA, para imponerse 4-6, 6-4, 7-5 en una hora y 55 minutos de acción trepidante en un Rod Laver Arena vacío, sin espectadores por segundo día debido a un confinamiento en Melbourne.
Osaka se enfrentará en los cuartos de final a la taiwanesa Hsieh Su-Wei (71ª), quien avanzó por primera vez a esta fase del torneo en un Grand Slam a sus 35 años.
Hsieh Su-Wei superó a la checa Marketa Vondrousova (20ª) en los octavos, por 6-4 y 6-2.
Por su parte, la rumana Simona Halep, número dos mundial, remontó en octavos para terminar ganando a la joven polaca Iga Swiatek (17ª) por 3-6, 6-1 y 6-4.
Tras ser superada claramente en el primer set, Halep parecía camino de ser eliminada por la polaca, como le ocurrió en Roland Garros en octubre, pero pudo dar la vuelta a la situación y derrotar a la jugadora campeona por sorpresa en el Grand Slam parisino en octubre.
En cuartos, Halep protagonizará un duelo estelar contra Serena Williams, número 11 mundial y de 39 años.
La menor de las hermanas Williams venció por 6-4, 2-6 y 6-4 a la bielorrusa Aryna Sabalenka (7ª).
Sigue por lo tanto adelante con su objetivo de conquistar un 24º título del Grand Slam y alcanzar el récord establecido en los años 1960-1970 por la australiana Margaret Court.
Abierto de Australia
Individuales femeninos - Octavos de final:
Su-Wei Hsieh (TPE) derrotó a Markéta Vondroušová (CZE/N.19) 6-4, 6-2
Naomi Osaka (JPN/N.3) a Garbiñe Muguruza (ESP/N.14) 4-6, 6-4, 7-5
Serena Williams (USA/N.10) a Aryna Sabalenka (BLR/N.7) 6-4, 2-6, 6-4
Simona Halep (RUM/N.2) a Iga Swiatek (POL/N.15) 3-6, 6-1, 6-4