Spanjorskorna tog tag i matchen direkt och skapade flera målchanser. Närmast kom Aitana Bonmatí vars avslut räddades av den italienska målvakten Laura Giuliani.
I den andra halvleken pressade Spanien på för ett ledningsmål, men Italien stod emot och länge stod det 0–0.
Men i den 89:e minuten satte inbytta Jennifer Hermoso det avgörande målet och gav Spanien tre mycket värdefulla poäng i jakten på en OS-plats nästa sommar i Paris.
– Du njuter mer när det blir seger i slutminuterna. Vi har visat att även vi kan lida, säger matchhjälten.
Jennifer Hermoso var inte med i den senaste truppen, som även var den första sedan VM-guldet i somras och den efterföljande skandalkyssen som ledde till att Luis Rubiales, ordförande för det spanska fotbollsförbundet, fick avgå.
Rubiales sade att kyssen var i samförstånd. Något som Hermoso inte håller med om.
Det pågår en rättsprocess där Rubiales står anklagad för sexuella övergrepp. En dom har inte fallit än.
Spanien, som slog Sverige i Nations League-premiären tidigare i höstas, toppar nu gruppen på nio poäng efter tre matcher.