23-åringen från Birmingham vann 6-7 (3-7) 6-4 6-2 i den tredje kvalomgången på Flushing Meadows.
James Ward och Elena Baltacha hade tidigare fallit vid det sista hindret med plågsamma nederlag.
Det var alltid i mig men det var bara att sätta ihop allt och jag är ganska stolt över det
Försvara mästare Andy Murray, 30:e frö Laura Robson och värld nummer 77 Heather Watson kvalificerade direkt.
Evans har varit i bästa form av sin karriär 2013, hjälpa Storbritannien till en anmärkningsvärd Davis Cup seger över Ryssland, och nå den tredje omgången på Queen's Club och två Challenger finaler i Nordamerika under sommaren.
Och han kapade som körs genom att kvalificera sig för en Grand Slam för första gången under strålkastarna av Court 8 på Flushing Meadows strax efter 20:00 lokal tid på fredag.
"Jag är ganska stolt över mina ansträngningar, inte bara här men jag har varit [i Nordamerika] nu nästan sex veckor, så att förlora första omgången sedan final, final och att kvalificera sig är ganska bra," sade han.
"Jag hade aldrig varit i den sista omgången av kvalificering innan men jag visste att jag var bättre än killen - det var bara att få ut det där. Jag borde verkligen ha vunnit den första uppsättningen men jag är ganska nöjd med hur jag kom tillbaka och i slutändan var det ganska enkelt.
"Det fanns alltid i mig men det var bara att sätta ihop allt och jag är ganska stolt över det. Jag behöver bara fortsätta och förhoppningsvis kommer jag att få en anständig dragning i huvuddragningen och försöka vinna några matcher."
Evans störtade in i en tidig 4-1 ledning mot Menendez-Maceiras, rankade fem platser lägre på 184, men bröts från 40-0 och fortsatte att släppa öppningen uppsättning i en slips-break.
Den Briton hade varit den bättre spelaren för en stor del av uppsättningen, dock, och fortsatte i den stilen som han bröt till kärlek i spel tre av den andra och stängde ut uppsättningen med kors-court förehand vinnare.
Det en kom ner till en beslutsfattare och det var enkelriktad trafik som Evans drivs på, bygga en 5-1 ledning och stänga ut vinsten på sin tredje match punkt, med Davis Cup lag-kamrater Colin Fleming och Jamie Murray bland de rösten domstolen supportrar.
Evans kommer att spela Japans elfte frö Kei Nishikori i den första omgången nästa vecka.
Ward, den brittiska nummer två, hade tidigare letts av en paus i den sista uppsättningen men förlorade 6-3 3-6 6-4 till Indiens Somdev Devvarman.
Den 26-årige var synbart upprörd när han tog sig ur Court Seven efter att ha sett en stor chans att kvalificera sig vid US Open för första gången glida förbi.
Ward, rankad 175th, såg ut att ha vänt saker och ting efter att ha slagit tillbaka från en uppsättning och en paus ner, rulla av sex raka matcher för att leda 2-0 i beslutsfattaren.
Devvarman, 28, förblev en tuff motståndare att bryta ner, dock, och världens nummer 113: s stabilare spel slutligen vann dagen som han bröt tillbaka i spel sex och klinkade seger efter två timmar och 15 minuter.
Baltacha, rankad 244 som hon gör sin väg tillbaka från skada, gick ännu närmare än Ward, tjänar utmärkt som hon tog den första uppsättningen mot Michelle Larcher de Brito av Portugal och återhämtar sig från 3-0 ner i den andra för att tjäna för seger vid 5-4 innan gå ut 4-6 7-5 6-1.
De Brito, som slog Maria Sharapova ur Wimbledon i juni, hade drivits till distraktion ibland, slå nätet och bakstaketet med sin racket i ilska, men hon samlades för att vinna tre raka matcher och tvinga en beslutsfattare.
Den sista uppsättningen var närmare än poängen antyder men Baltacha kunde inte innehålla den 20-åriga portugisiska, som säkrade sin plats i huvuddragningen efter två timmar och 31 minuter.
Dan Evans gav Storbritannien en fjärde spelare i huvuddragningen av US Open med en enastående kvalvinst över Spaniens Adrian Menendez-Maceiras.