Starul japonez, care a câștigat la Melbourne în 2019 și 2021, a pierdut primul set împotriva favoritei 20 Karolina Muchova înainte de a câștiga 1-6, 6-1, 6-3.
A fost al doilea ei examen de trei seturi în două zile, după ce a fost testată și de Caroline Garcia în primul tur.
"Sincer, a fost nevoie să dau totul", a spus Osaka când a fost întrebată cum a întors meciul.
Cehoaica Muchova a fost victorioasă la ultima întâlnire dintre cele două, la US Open 2024, și a avut și acum un start mai reușit, câștigând primul set în 32 de minute.
Osaka a ripostat cu un dublu-break înainte de a încheia setul al doilea cu un serviciu rapid.
Ea a continuat să își crească nivelul în fața unei adversare periculoase care a ajuns în semifinale la Melbourne acum patru ani.
Un al doilea break a încheiat meciul în 1h 57min, iar pentru Osaka va urma o confruntare în turul al treilea cu Belinda Bencic din Elveția pentru un loc în ultimele 16.
"Înseamnă mult, este o adversară incredibil de dificilă pentru mine", a spus Osaka despre Muchova.
"Ea m-a zdrobit la US Open", a râs ea. "Am fost atât de dezamăgită. Am fost atât de furioasă.
"Aceasta a fost mica mea răzbunare".