Osaka acabó imponiendo su mayor resistencia para doblegar a la española en dos horas y 37 minutos.
Sorribes aguantó los dos primeros set, para acabar rindiéndose en la última manga, dejando al torneo madrileño sin españolas.
Osaka se enfrentara en octavos a la bielorrusa Aliaksandra Sasnovich que se impuso este martes a la eslovaca Karolina Schmiedlova por un doble 6-2.
La checa Karolina Pliskova, cabeza de serie número 5 del torneo, y una de las favoritas, cayó ante la ucraniana Kateryna Kozlova por 7-5, 2-6, 6-4.
Kozlova, que se metió en el cuadro final procedente de las rondas clasificatorias, se medirá en octavos a la suiza Belinda Bencic.
La rumana Simona Halep, cabeza de serie número 3 del torneo madrileño, también estará en octavos tras ganar a la británica Johanna Konta por 7-5, 6-1.
Halep, ganadora en Madrid en 2016 y 2017, se enfrentará en octavos a la eslovaca Viktoria Kuzmova.
Torneo de Madrid
Individual femenino - Segunda Ronda:
Naomi Osaka (JPN/N.1) derrotó a Sara Sorribes (ESP) 7-6 (7/5), 3-6, 6-0
Aliaksandra Sasnovich (BLR) a Anna Karolína Schmiedlová (SVK) 6-2, 6-2
Kateryna Kozlova (UKR) a Karolína Plísková (CZE/N.5) 7-5, 2-6, 6-4
Simona Halep (ROU/N.3) a Johanna Konta (GBR) 7-5, 6-1
Saisai Zheng (CHN) a Alize Cornet (FRA) 6-2, 3-6, 6-4
Petra Martic (CRO) a Angelique Kerber (GER/N.4) no se presentó
Caroline Garcia (FRA) a Sorana Cirstea (ROU) 6-4, 3-6, 6-1