18-åringen utklasset en magesyk Soderling med 6-1, 6-4, 7-5.
Dermed er den femteseedede svensken ute av Wimbledon, mens nummer 158 i verden er videre til åttedelsfinalen.
– Dette er hittil min største prestasjon. Jeg var rolig utad, men jeg holdt på å sprenge innvendig. Jeg gjorde alt for ikke å vise det, og han (Soderling) ble etter hvert litt frustrert, sa Tomic etter sin imponerende opptreden.
Australieren startet kampen i hurtig tempo og vant første sett etter 17 minutter.
Etter noen game i annet sett kalte Soderling på legehjelp og fortalte at han hadde slitt med mageproblemer de siste dagene.
I åttedelsfinalen skal Tomic møte en annen useedet spiller, Xavier Malisse fra Belgia.
De fire beste videre
Rafael Nadal og Roger Federer gikk enkelt videre fra tredje runde i Wimbledon-turneringen lørdag. Også Novak Djokovic er i åttedelsfinale.
Dermed henger de fire høyest rangerte spillerne med videre. Det britiske hjemmehåpet Andy Murray var en av tre spillere som løste billett til mennenes åttedelsfinale allerede fredag.
Verdensener Nadal fullførte sin seier i strake sett mot Gilles Muller lørdag, etter at kampen ble avbrutt av regn dagen før.
Tittelforsvarerens seierssifre ble 7-6, 7-6, 6-0, og han er klar for kamp mot Juan Martin del Potro i neste runde.
Fornøyd Federer
Tredjeseedede Federer vant tre strake sett og brukte under to timer på å slå argentinske David Nalbandian 6-4, 6-2, 6-4.
– Totalt sett er jeg meget fornøyd. Jeg er blitt enda mer sikker med servene mine i år, og jeg håper det fortsetter i finaleuken, sa Federer.
Sveitseren erkjente at han på forhånd fryktet hva Nalbandian ville komme med. Argentineren har tidligere slått Federer hele åtte ganger.
– En fyr som har slått meg åtte ganger kan også slå meg en niende gang. Jeg er derfor glad over min egen prestasjon.
I åttedelsfinalen møter Federer russiske Mikhail Jouzjnij. Håpet om en fjerde Wimbledon-finale mot Nadal lever videre.
Novak Djokovic måtte slite mer for å løse billett til åttedelsfinalen. Han avga sett mot Markos Baghdatis, men knep til slutt den 16. og siste plassen i 4. runde med sifrene 6-4, 4-6, 6-3, 6-4.
– Det var ikke min dag, og da føles det godt å vinne likevel, sa serberen, som møter Michal Llodra i neste runde.
Murray skal opp mot franske Richard Gasquet i forsøket på å holde liv i drømmen om britisk triumf.