Die Nummer 94 der Welt machte an jedem ihrer letzten drei Löcher einen Birdie, um den Sieg mit einem einzigen Schuss von Landsmann und Nummer 1 der Welt, Ko Jin-young, und der US-Amerikanerin Amy Olson zu erringen.
Bemerkenswerterweise war dies Kims erster Auftritt bei den US Women's Open und erst ihr dritter professioneller Titel.
Die 25-Jährige startete die letzte Runde mit fünf Schlägen Rückstand auf Spitzenreiter Hinako Shibuno, beendete aber schließlich zwei Schläge vor den Japanern, die zwei Drehgestelle auf den ersten neun hatten, um ihre Führung frühzeitig zu verschwenden.
Die Endrunde musste am Montag beendet werden, nachdem der Regen am Sonntag aufgehört hatte zu spielen.
"Ich fühle mich sehr geehrt, die 75. US Women's Open zu gewinnen", sagte Kim gegenüber dem Sender Sky. "Ich kann mich immer noch nicht wirklich darauf einlassen, dass ich der Champion bin, aber es fühlt sich anders an, das Turnier hier zu gewinnen.
"Zurück in Korea sind Stil und Umgebung unterschiedlich, aber ich bin wirklich froh und durch COVID-19 hatten wir viele Schwierigkeiten, aber froh, dass wir die US Women's Open in Houston abgehalten haben.
"Es war ein großartiger Sieg. Ich liebe diesen Golfplatz, liebe diese Umgebung. Ich möchte hier tatsächlich ein Zelt aufbauen und noch ein paar Tage bleiben."
Kims Sieg brachte ihr den 1-Millionen-Dollar-Scheck ein und bedeutet, dass drei der vier diesjährigen Majors von Südkoreanern gewonnen wurden.