Djupt in på tilläggstid rann inbytte Williams igenom och satte 3-1 distinkt lågt och segern var i hamn.
Med kvarten kvar hade Bruma skapat nerv genom att reducera för Portugal till 1-2 efter en magisk volleyträff från distans. Den perfekta träffen och den sjunkande bollbanan var så oemotståndlig att till och med spanska fans bara kunde le.
Portugal kan ännu bli bästa grupptvåa och behöver slå Makedonien i sin sista gruppspelsmatch på fredag.
Regerande mästaren Sverige är på väg ur turneringen och har dessutom skadebekymmer.