Rovers ledet 2-1 før kampen på Stark's Park, men Billige Partick Thistle Fotballtrøyer overrasket vertene med en 2-1-seier og tok kampen til ekstraomganger.
Det ble ingen flere mål i de ekstra 30 minuttene, og hjemmelaget vant 4-3 i straffesparkkonkurransen.
De skal nå møte enten Ross County eller St Johnstone i kampen om å få spille i den øverste skotske fotballdivisjonen neste sesong.
David Mitchell reddet Rovers-kaptein Scott Browns straffespark og ga gjestene et tidlig overtak i straffesparkkonkurransen, men Jack McMillan skjøt utenfor, og deretter traff Ricco Diack stolpen og ga Lewis Vaughan muligheten til å vinne for hjemmelaget.
Mitchell fikk fingertuppene på spissens straffespark, men klarte ikke å holde den unna, og det vellykkede straffesparket utløste jubel - blant annet fra tidligere statsminister Gordon Brown - på Stark's Park.
Kirkcaldy-klubben skal møte Ross County eller St Johnstone - det laget som ender på 11. plass på Premier League-tabellen på søndag - over to kamper torsdag 23. mai og søndag 26. mai.
Thistle-sjef Kris Doolan stokket om på midtbanen til returoppgjøret, og det ga tidlig uttelling da Blair Alston - som ble tilbakekalt etter å ha scoret lagets mål i tirsdagens første kamp - banket inn et frispark som ble avbøyd av Scott Brown og gikk rett på Kevin Dabrowkski.
Rovers hadde flyttet ballen på Firhill i det første oppgjøret, men manglet flyt foran egne fans helt til like før halvtimen var spilt, da Ross Matthews sendte dem i ledelsen igjen.
Venstrebacken Liam Dick slo en vakker ball på tvers av straffefeltet, og høyrebacken Matthews - en midtbanespiller som spilte ute av posisjon i forsvaret - headet ballen forbi Mitchell og satte inn sitt første mål for sesongen.
Thistle kom imidlertid tilbake, og Scott Robinsons avrettede skudd gikk over fra kort hold like før pause.
På overtid i første omgang spilte Brian Graham ballen videre til Robinson, som satte Alston i stand til å avslutte på andre forsøk etter en fin innledende redning av Mitchell.
Det ble ikke flere mål, men bare fordi Harry Milne ble hindret av to flotte fingertuppredninger fra hjemmekeeper Dabrowski, mens Raith Rovers Fotballdrakter barn kaptein Brown produserte en utrolig dobbeltredning på en heading fra Aaron Muirhead og deretter en dundrende avslutning fra Euan O'Reilly.
Rovers, som har presset Dundee United det meste av sesongen i Championship, holdt nerverne oppe til tross for at de lå under i straffesparkkonkurransen, og er nå to kamper fra en retur til den øverste divisjonen for første gang siden 1997.
