Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Kvitova, som bara spelade sin tredje turnering 2017 efter att ha knivhuggits av en inkräktare hemma i december, förlorade 6-1 1-6 6-2 på domstol två.
Amerikanen hade aldrig vunnit en singlar spel på Wimbledon innan i år och rankas 95: e i världen.
I den avgörande uppsättningen kämpade Kvitova fysiskt och behövde medicinsk hjälp, men lyckades slutföra matchen.
"Jag är glad att det är över", sade den 27-åriga tjeckiska spelaren efteråt.
"Det var jättesvårt och jag känner mig väldigt tom. Min kropp är inte stor men mentalt är jag glad att det är över.
"Jag behöver bara se framåt och fokusera och förbereda inför nästa turnering."
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
På andra håll förlorade Venus Williams det första setet innan han slog världsnummer 55 Wang Qiang 4-6 6-4 6-1 för att flytta in i de sista 32.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Fem-tiden Wimbledon mästare Williams, 37, var 4-2 framåt i öppningen uppsättningen, men förlorade fyra på varandra följande matcher för att förlora den första uppsättningen, men återhämtade sig för att flytta in i den tredje omgången.
Hon bröt Wangs tjänst sent i den andra uppsättningen och två gånger mer i beslutsuppsättningen för segern.
Williams, som senast vann Wimbledon titeln för nio år sedan, kommer att spela oseed Japanese spelare Naomi Osaka i de senaste 32 efter att hon besegrade 22: a frö Barbora Strycova i Tjeckien 1-6 6-0 6-4.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Tidigare värld nummer ett Victoria Azarenka nådde den tredje omgången med en 6-3 6-3 seger över 15: e frö Elena Vesnina.
Azarenka, 27, spelar bara sin andra turnering 2017 efter att ha fött sin son Leo i december.
Den vitryska, rankad 683rd, bröt ryska serven i den sjätte matchen på väg till att ta öppningen uppsättningen.
Azarenka bröt Vesninas serve två gånger mer i den andra uppsättningen för att säkra en match med Storbritanniens Heather Watson.
Vesnina, en Wimbledon semifinalist 2016, behövde läkarvård i den andra uppsättningen eftersom hon kämpade med en höftskada, men kunde slutföra matchen.
Världsnummer 86 Camila Giorgi av Italien säkrade en stor upprörd när hon slog ut amerikanska 17: e frö Madison Keys 6-4 6-7 (10-12) 6-1.
Giorgi tjänade för matchen i den andra uppsättningen men var trasig och sedan slösade fyra matchpoäng, inklusive en på egen hand, i en episk slips-break.
I slutändan spelade det ingen roll när Giorgi stormade genom beslutet att flytta in i tredje omgången av Wimbledon för fjärde gången i sin karriär.
Kvinnors andra frö Simona Halep är säkert in i de sista 32 efter en straight-set seger över 21-åriga brasilianska Beatriz Haddad Maia.
Ta reda på hur du kommer in i tennis i vår speciella guide.
Halep vann 7-5 6-3 för att sätta upp en tredje-runda slips med Kinas Shuai Peng, en 6-2 6-2 vinnare över spanska 25: e frö Carla Suarez Navarro.
Åttonde fröet Dominika Cibulkova, Slovakien, som nådde de sista åtta förra året, flyttade också in i den tredje omgången. Slovakerna besegrade den amerikanske Jennifer Brady 6-4 6-4 i rätten 18.
Det var en rutindag för fjärde frö Elina Svitolina av Ukraina, som kryssade förbi osådd italienska Francesca Schiavone 6-3 6-0.
Franska Open mästare Jelena Ostapenko var tvungen att kämpa hårt för att komma förbi oseed Francoise Abanda av Kanada.
Ostapenko, den 13:e fröet från Lettland, förlorade den första uppsättningen 6-4, men tog nästa två 7-6 (7-4) 6-3 för att avancera.
Tvåfaldig Wimbledon mästare Petra Kvitova blev slagen i den andra omgången av American Madison Brengle.