Chileneren knuste Nadal, som er sett på som den nest beste tennisspilleren i verden, med settsifrene 6-2, 6-4 og 6-3.
Gonzalez sto for den største overraskelsen på herresiden i årets første Grand Slam da han tvang Nadal til å gjøre flere feil. Chileneren lurte sin spanske opponent fram mot nettet. Det satte Nadal ut av rytmen.
Møter tysker
Den chilenske vinneren, som er regnet som nummer ti i verden, møter den tyske Tommy Haas i fredagens semifinale. Haas er regnet som den 12. beste spilleren i verden.
Verdensener Roger Federer og den amerikanske Andy Roddick spiller i den andre semifinalen på torsdag.
Australian Open tennis, kvartfinaler onsdag:
Menn:
Tommy Haas (12), Tyskland - Nikolaj Davidenko (3), Russland
6-3, 2-6, 1-6, 6-1, 7-5.
Fernando Gonzalez (10), Chile - Rafael Nadal (2), Spania
6-2, 6-4, 6-3.
Kvinner:
Kim Clijsters (4), Belgia - Martina Hingis, Sveits
3-6, 6-4, 6-3.
Maria Sjarapova (1), Russland - Anna Tsjakvetadze (12), Russland
7-6, 7-5.