Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Pennetta, den 26:e fröet, vann 7-6 (7-4) 6-2 för att bara bli den andra italienska kvinnan att vinna en av tennis majorerna.
Hon sa då: "Jag fattar ett stort beslut i mitt liv - det är så här jag vill säga adjö till tennis."
33-åringen från Brindisi bekräftade att hon planerar att spela resten av säsongen innan hon går i pension.
"För en månad sedan bestämde jag mig för att det är så här jag skulle säga adjö till tennis," tillade Pennetta, som samlat en vinnare check på $3.3m (2,1m).
"Det här är min sista och jag kunde inte tänka mig att avsluta på ett bättre sätt."
Vinci, rankad 43:e i världen, hade bedövat Serena Williams i semifinalen och gjort slut på världens främsta bud på en kalender Grand Slam.
Den 32-årige från Taranto sade: "Jag är verkligen glad och riktigt glad för Flavia. Det är svårt att spela mot en spelare som du har känt länge.
"Jag försökte spela mitt bästa, men Flavia spelade otroligt och jag måste säga grattis till henne."
Pennetta redde senare upp all förvirring som uppstod efter hennes tillkännagivande i rätten.
"Jag kommer att spela fram till slutet av detta år, men det var min sista match här i New York", förklarade hon.
Den nya världen nummer åtta kommer att spela två turneringar i Kina, liksom WTA-finalerna i Singapore om hon kvalificerar sig, innan hon kallar det en dag.
"Ibland blir det svårt för mig att tävla", sade Pennetta, som går med i 2010 franska Open mästare Francesca Schiavone som en kvinnlig italiensk Grand Slam vinnare.
"Du måste slåss varje vecka och om du inte gör som jag gjorde idag, kommer det att bli dåligt. Jag känner inte att jag har den här kraften längre.
"Det var ett riktigt svårt beslut men jag är verkligen glad att jag gjorde det. Jag är verkligen glad och stolt över mig själv."
Vinci, frågade vad deras framträdande i finalen tillsammans hade bevisat, sade: " Jag slog Serena - ett mirakel. Två italienare kan nå finalen - ett andra mirakel. Och en italiensk spelare kan vinna en Grand Slam."
Frånvaron av Williams från den sista dagen hade lett till rädsla för att stadion kunde vara halvtomt, men ett fullt hus på 23 771 såg historien göras, om än italiensk historia.
Premiärminister Matteo Renzi var domare efter att ha flugit in för den första finalen mellan två av sina landsmän sedan den öppna eran började 1968.
Det var Pennetta som segrade efter att ha gjort löpningen från början, bryta tjänar vid sjunde försöket i en dramatisk sjunde match.
Vinci var trevande, gjorde små framsteg med sin skivade backhand tills en Pennetta fel förde henne nivå 4-4.
En tie-break krävdes och återigen var det Pennetta som höll ihop sitt spel bättre, clinching det med en serve efter fyra fel från Vinci.
Pennetta tävlade 4-0 klart i den andra, en tillräckligt stor ledning för att absorbera en kort kamp tillbaka från Vinci, och den mörkare himlen ovan såg ut som det största hotet mot hennes förhoppningar.
Duggregnet anlände, men bara några ögonblick efter att Pennetta hade avfyrat en förhand in i hörnet på matchpunkten.
Flavia Pennetta slog italienska Roberta Vinci för att vinna sin första Grand Slam-titel på US Open, och meddelade sedan sin pension.