Brightons Solly March ble syndebukken etter at de første seks straffene til hvert lag hadde gått i mål.
Deres syvende straffeskytter blåste ballen langt over mål, mens svenske Victor Lindelöf var kald og sendte dermed Manchester United til deres første finale i turneringen siden 2018.
Da tapte de 0–1 for Chelsea.
Torsdag røk Erik ten Hags mannskap ut av Europa League da Sevilla vant 3–0 i Spania.
– På torsdag så jeg et lag jeg ikke kjente igjen, men i dag var vi tilbake. Jeg så besluttsomhet og motstandsdyktighet. Vi kjempet for hver meter og slåss i hver duell. Vi hadde gode sjanser også, sier Manchester United-treneren til BBC.
Manchester-klubben har vunnet turneringen 12 ganger – nest mest etter spesialistene Arsenal (14).
Det blir dermed et Manchester-derby i finalen etter at byrival Manchester City vant 3–0 mot Sheffield United lørdag.
Finalen mot Erling Braut Haaland & co. spilles lørdag 3. juni.
Brighton kunne på sin side ha sikret klubbens andre FA Cup-finale i historien. Sist gang var i 1983 da det ble 0–4-tap for nettopp Manchester United.
Grafikk: www.sofascore.com
Det var Brighton som yppet seg først i kampen der begge lags keepere sto frem.
Alexis Mac Allister var den første til å teste keeperne – med et frispark fra 20 meter, men en god redning av en David de Gea midt i solsteken reddet ypperlig.
Uniteds første store målsjanse var da Bruno Fernandes prøvde seg fra 18 meter, men Brighton-keeper Sanchez reddet godt.
Etter en god periode var det en svært oppstykket førsteomgang. Både Solly March, Fernandes og Marcus Rashford lå nede med hver sin smell.
Det skulle endelig smelle igjen – fotballmessig. Kaoru Mitoma brukte sin lynhurtige fart og skapte ubalanse i United-forsvaret før ballen havnet i beina på Julio Enciso, som avsluttet like utenfor mål.
Før dommeren blåste til pause var det gode muligheter for rødtrøyene da det var rusk i forsvarsspillet til Brighton, men hverken Martial, Fernandes eller Eriksen tok vare på sjansene sine.
Brighton fortsatte trykket i annenomgangen.
Ceniso smalt til på halvvolley fra kloss hold, men de Gea hadde ristet av seg den grusomme prestasjonen fra midtuken og holdt United i kampen etter nok en feberredning.
Målløst var det etter 90 minutter. Dermed ekstraomganger.
Deniz Undav fikk en gigamulighet for Brighton bare minutter ut i ekstraomgangene, men kveldens tyngste touch med en fotball hindret en enorm mulighet.
Den sjansen var knapt ingenting kontra skuddet fra Rashford på motsatt banehalvdel. Robert Sánchez vartet nemlig opp med en mulig matchvinner-redning da han måtte ut i full strekk.
0–0 etter 120 minutter betød straffesparkkonkurranse. De tolv første straffene gikk i mål, men den rekken endte da Solly March blåste ballen langt over mål.
Mahrez overtok Haalands straffeansvar: – Så lenge de scorer, bryr jeg meg ikke