Matchens enda mål på Cardiff City Stadium kom med tio minuter kvar av första halvlek.
Wales lagkapten Gareth Bale stegade fram och avlossade en frispark en bit utanför straffområdet, en frispark som Ukrainas lagkapten Andrij Jarmolenko nickskarvade in i eget mål.
Ukraina saknade inte chanser i andra halvlek, men uppoffrande walesiska spelare och en storspelande Wayne Hennessey i hemmamålet såg till att nollan var intakt.
1–0 till Wales blev det, som därmed är kvalificerat för sitt blott andra världsmästerskap genom tiderna. Det första var för 64 år sedan, VM i Sverige 1958.
– Resultatet är det bästa resultatet i Wales fotbollshistoria. Vi är i extas, vi ska till VM, säger Bale till Sky Sports.
– Jag är mållös, vi är så glada, vi gjorde det för alla våra fantastiska fans.
Ukraina, vars VM-kvalplayoff blev framflyttat med anledning av den ryska invasionen, jagade också sitt andra världsmästerskap, men föll nu snöpligt på målsnöret.
I VM, som avgörs i Qatar 21 november–18 december, väntar nu England, Iran och USA för Wales i gruppspelet.
Det återstår fortfarande två platser till världsmästerskapet, matcher som avgörs i juni. Den ena platsen gör Costa Rica och Nya Zeeland upp om, medan Peru och Förenade Arabemiraten/Australien gör upp om den andra platsen.