Esta vitória também permite ao Canadá obter o seu bilhete para os Jogos Olímpicos de Paris no próximo verão.
O Canadá enfrentará a Eslovênia na quarta-feira nas quartas de final.
Dillon Brooks fez um bom jogo defensivo e marcou 24 pontos para o Canadá (4-1), enquanto Gilgeous-Alexander somou sete assistências e quatro rebotes.
Willy Hernangomez foi o mais produtivo da Espanha (3-2), com 25 pontos. Santiago Aldama somou 20 pontos.
A derrota por 69-65 para o Brasil na sexta-feira colocou o Canadá em uma posição onde precisa vencer a Espanha para continuar sua aventura no torneio.
Com o Canadá perdendo por 78-74, Gilgeous-Alexander chutou com calma e cometeu falta. Ele acertou o lance livre para reduzir a vantagem para um ponto faltando 1:51 para o fim.
Hernangomez sofreu falta do outro lado da quadra e acertou dois lances livres para fazer o 80-77.
Brooks empatou o jogo na próxima posse de bola com uma cesta de 3 pontos com 1:12 no relógio. Ele então causou uma reviravolta ao forçar Alex Abrines para fora dos limites.
Gilgeous-Alexander deu ao Canadá a liderança com um arremesso de dois pontos faltando 43,5 segundos para o fim. Depois de um chute espanhol perdido, Gilgeous-Alexander marcou dois lances livres, dando ao Canadá uma vantagem de quatro pontos.
O jogo de gato e rato continuou, mas Gilgeous-Alexander permaneceu perfeito sempre que foi enviado para a linha de lance livre, impedindo a Espanha de voltar ao jogo.
Um último chute longo espanhol de três pontos acertou o aro sem entrar, quando não havia mais tempo no relógio.