El chileno, dos veces ganador del US PGA Tour antes de unirse al circuito respaldado por Arabia Saudí el año pasado, hizo seis birdies y un bogey para un 66 y terminar con 14 golpes bajo par en el DP World Tour de Sydney.
Hoshino, que buscaba convertirse en el primer ganador japonés del torneo en sus más de 100 años de historia, firmó una tarjeta de 70 para igualarle y enviarlo a un tenso final en el Australian Golf Club.
Niemann encontró el primer corte de rough en el primer hoyo extra, mientras que Hoshino aterrizó en un búnker de calle.
El chileno respondió magníficamente, golpeando un hierro nueve a metro y medio, mientras que Hoshino encontró arena junto al green antes de levantarse y bajar para su birdie.
Niemann vio cómo se le escapaba el putt para eagle con el que podría haber ganado el torneo, lo que obligó a los dos jugadores a volver al hoyo 18.
Hoshino volvió a ir de búnker en búnker, mientras que Niemann encontró la calle y envió otro approach infalible a menos de dos metros.
El japonés logró un birdie por segunda vez, pero esta vez Niemann no se equivocó con el putt para eagle y se aseguró la victoria.
"Ha sido un buen día. Estos dos últimos hoyos de desempate han demostrado cómo he estado jugando las últimas semanas aquí en Australia", dijo Niemann.
"Mi putt no ha sido el mejor, pero he estado trabajando duro en ello y ha sido agradable hacer ese último putt. Siempre practico esos de tres, cuatro o cinco pies y sé que en uno de ellos ganaré un torneo. Es increíble".
Lee lucha
Fue su primera victoria en el circuito europeo y le valió una exención para el Open Británico del año que viene.
El nombre de Niemann está ahora grabado en la Copa Stonehaven de ganadores del Abierto de Australia junto a grandes como Gary Player, Jack Nicklaus, Greg Norman y Rory Mcllroy.
Hoshino y Min Woo Lee -ganador la semana pasada del Campeonato de la PGA de Australia- fueron los líderes durante la noche con un golpe de ventaja, pero al australiano le costó arrancar.
Terminó tercero después de que un 72 le dejara a dos de los líderes.
El australiano Adam Scott, el inglés Laurie Canter y el escocés Grant Forrest empataron en la cuarta posición con 11 golpes bajo par.
El exnúmero uno del mundo Scott, que busca romper una sequía de victorias de casi cuatro años, estuvo por delante en un momento dado, pero un golpe horroroso en el hoyo 16 le dejó fuera de límites y cometió un triple-bogey.
Su compatriota Lucas Herbert también compartió el liderato, pero también fue víctima de un triple bogey en el noveno hoyo.
Niemann salió antes que Lee y Hoshino y sufrió una angustiosa espera de 90 minutos en la casa club, ya que Hoshino embocó un putt cuesta abajo de largo alcance en el 17 para empatar y se quedó corto con un putt de 25 pies para la victoria en el último hoyo, obligando finalmente a la disputa de un playoff final.