Los locales llegaron al descanso con un marcador adverso de 7-21 antes de remontar en la segunda parte frente a los sudamericanos, una victoria culminada con el ensayo convertido de Angus Bell en el último suspiro.
Joseph-Aukuso Suaalii firmó un doblete y Nic White hizo un try para contrarrestar los de Santiago Carreras y Bautista Delguy.
Australia tuvo la opción de empatar cuando perdía 24-21 a un minuto del final, pero el capitán, Harry Wilson, conocido por no rendirse nunca, se la jugó por la victoria.
El resultado dejó a los Wallabies con dos triunfos en tres partidos en el torneo, antes del partido de vuelta contra Los Pumas previsto en Sídney la próxima semana.
Cada victoria en este torneo es crucial para sumar puntos en el ranking mundial de cara al sorteo previsto en diciembre para el Mundial de 2027, que se disputará en Australia.
Derrota dolorosa
Los Pumas llegaron al choque llenos de confianza tras su gran triunfo por 29-23 frente Nueva Zelanda en Buenos Aires, pero perdieron fuerza en la segunda parte.
El cuadro visitante golpeó primero, con Carreras acertando un golpe a corta distancia en el minuto cinco, y repitiendo desde 40 metros pocos minutos después.
Inicialmente Australia tuvo más posesión y territorio, pero sin lograr puntos antes de una pausa de tres minutos a mitad del primer tiempo para hidratarse, debido al intenso calor en Townsville.
Sin embargo, siguieron presionando con un punto de White, aunque la ventaja apenas duró y los argeentinos sorprendieron con dos ensayos en cuatro minutos.
Los de Oceanía reaccionaron tras el descanso y redujeron la diferencia a seis puntos.
A dos minutos del cierre, Juan Cruz Mallía parecía haber asegurado la victoria para los suyos antes del inesperado desenlace y el ensayo de Bell, que dio la victoria a los anfitriones.