Den 31-årige kortade en fyra-under 67 för att avsluta sju under med Haas, som var en framåt över natten.
Han hävdade sedan play-off med en par för sin 15: e professionella seger, men bara hans andra på PGA Tour.
Världens första Jordan Spieth, den försvarande mästaren, fågeln den sista för en 73 och var bunden 18th, sju tillbaka.
Att spela partner Lee McCoy, den 22-åriga amatören som växte upp bredvid Copperhead kursen, följde hans tredje rond 66 med fyra fåglar i en 69 och slutade fjärde för att kvalificera sig för Houston Open.
Haas var två skott framåt in i de avslutande stadierna, men efter att ha gjort par från en greenside bunker på par-tre 15th, han kunde inte göra det från ett liknande scenario i nästa och var bunden med Schwartzel, som birded tre av hans sista sex hål, inklusive en putt från 64 fot på den 13: e.
Vid den första play-off hålet, par-fyra 18th, Haas satte sin tee skott med en tre trä i träden till höger och hans andra i en greenside bunker.
Schwartzel, 2011 Masters mästare, tog ett järn av tee och var pin-hög i två, innan lugnt två-ställning för att säkra titeln efter Haas inte kunde hål för par från 18 fot.
Sydafrikanska Charl Schwartzel vann Valspar Championship i Palm Harbour, Florida med seger över amerikanska Bill Haas vid det första play-off hålet.