Schalke midfielder svepte hem en Benjamin Henrichs passerar från 20 meter och sedan slitsade hem från Timo Werners genom boll.
Werner slog sedan hem Jonas Hectors passning för att öka Tysklands ledning.
Marco Fabian gjorde en lysande 35-yardsstrejk för Mexiko, innan Amin Younes lade till en fjärde för Tyskland.
Mexiko hade gott om chanser att komma tillbaka in i spelet på 2-0 ner men slösade bort dem.
Fabians bedövning kom för sent för att hota en comeback, även om det var ett kaotiskt slut med flera chanser i båda ändarna.
Medan Tyskland går vidare till söndagens final i S:t Petersburg möter Mexiko Portugal i en tredje fjärde play-off tidigare den dagen.
Tyskland boss Joachim Low lämnade de flesta av sina vanliga stjärnspelare hemma, inklusive Manuel Neuer, Jerome Boateng, Mesut Ozil, Toni Kroos och Thomas Muller.
Och det faktum att deras försvagade trupp inkluderar första lag spelare från Barcelona, Bayern München, Manchester City, Paris St-Germain, Arsenal och Liverpool talar mycket om styrkan i djupet av tysk fotboll.
Tyskland har två unga lag i internationella finaler i helgen. Fem av start 11 i Confederations Cup semifinal skulle ha varit berättigade till lördagens European Under-21 Championship final mot Spanien - inklusive Goretzka och Werner, som nu är gemensamma toppskyttar i turneringen med tre styck.
Trots sina motståndare att ha chanser, såg Tyskland bekväm, med Goretzka imponerande innan han ersattes halvvägs genom andra halvan och Werner stake ett påstående om att vara Tysklands första valet strejker för nästa sommars VM.
RB Leipzig frontman kunde ha vunnit mer, men omintetgjordes när han försökte peta en ansträngning genom Guillermo Ochoas ben, och satte en annan skott bred.
Ajax's Younes gjorde sin sista fjärde poäng, vände hem ett pass från andra substitut Emre Can.
Med bättre finish, Mexiko kunde ha återupplivat ett spel som kändes över inom åtta minuter. De hade mer än dubbelt så många skott som Tyskland - 26-12 - och hade fler ansträngningar på mål också, åtta till sju.
Fabians insats från en kort frispark var det bästa målet för spelet.
Vid 2-0, Giovani dos Santos tvingade en räddning från Marc-Andre ter Stegen och Javier Hernandez sköt över från sex meter, medan Hector Herrera och Raul Jimenez också testade Barcelona djurhållare.
Jimenez gick ännu närmare när han slog i crossbaren med en rubrik i 75: e minuten, även om på 3-0 som bara skulle ha varit en tröst.
Efter Younes gjorde det 4-1 i skada tid, Mexiko hade fortfarande tid för fler försök med Hernandez klippa posten och Jimenez på väg bred.
Mexiko börjar sitt Gold Cup försvar en vecka efter deras tredje fjärde play-off mot Portugal.
Men bara tre medlemmar i Confederations Cup-truppen spelar i turneringen för lag i Nord- och Centralamerika och Karibien.
Mexico coach Juan Carlos Osorio: " Vi förtjänade ett bättre resultat. De var mycket effektiva och vi gav dem för mycket utrymme, men vi borde ha gjort minst ett eller två mål till.
"Vi hade tillräckligt med chanser att göra det. Även efter att tidigt ha antytt att vi hade den mentala styrkan att slå tillbaka."
Tyskland boss Joachim Låg: "Det var ett intensivt spel. Att laget lyckades göra det vi hade diskuterat under förberedelserna för matchen var både viktigt och imponerande.
"Mexiko försöker tvinga sitt spel på sina motståndare men vi visade att vi ville vinna och dominera. Det gjorde vi utmärkt, särskilt under de första 15 eller 20 minuterna.
"Våra unga spelare förtjänar äran för det. Vi fick vad vi ville, men du kan inte räkna med att det händer innan matchen. Det var en underbar föreställning."
Matchen slutar, Tyskland 4, Mexiko 1.
Andra halvlek, Tyskland 4, Mexiko 1.
Försöket räddades. Raúl Jiménez (Mexiko) huvud från mitten av lådan sparas i mitten av målet. Hjälpt av Miguel Layún med ett kors.
Hörnet, Mexiko. Sammankallad av Antonio Rüdiger.
Försök blockerat. Chicharito (Mexiko) vänster fotade skott från utsidan lådan är blockerad. Hjälpt av Hirving Lozano.
Mål!  Tyskland 4, Mexiko 1. Amin Younes (Tyskland) vänster fotade skott från vänster sida av lådan till nedre högra hörnet. Hjälpt av Emre Can.
Försök blockerat. Timo Werner (Tyskland) vänster fotade skott från höger sida av lådan är blockerad. Hjälpt av Joshua Kimmich.
Mål!  Tyskland 3, Mexiko 1. Marco Fabián (Mexiko) höger fotade skott från mer än 35 meter till övre högra hörnet. Hjälpt av Héctor Herrera efter en viss situation.
Rafael Márquez (Mexiko) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Emre Can (Tyskland).
Handboll av Amin Younes (Tyskland).
Försök missade. Rafael Márquez (Mexiko) huvud från mitten av lådan är hög och bred till höger. Hjälpt av Miguel Layún med ett kors efter ett hörn.
Hörnet, Mexiko. Förföljd av Matthias Ginter.
Foul av Miguel Layún (Mexiko).
Emre Can (Tyskland) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Försök blockerat. Hirving Lozano (Mexiko) höger fotade skott från utsidan lådan är blockerad. Hjälpt av Héctor Herrera.
Offside, Mexiko. Rafael Márquez försöker en genom boll, men Héctor Moreno fångas offside.
Försöket räddades. Rafael Márquez (Mexiko) huvud från mitten av rutan sparas i toppen av målet. Hjälpt av Miguel Layún med ett kors.
Hörnet, Mexiko. Förföljd av Amin Younes.
Försening över. De är redo att fortsätta.
Försening i match Marco Fabián (Mexiko) på grund av en skada.
Försening i match Antonio Rüdiger (Tyskland) på grund av en skada.
Hörnet, Mexiko. Sammankallad av Antonio Rüdiger.
Substitution, Tyskland. Amin Younes ersätter Julian Draxler.
Försök missade. Héctor Herrera (Mexiko) höger fotade skott utanför lådan är för hög.
Substitution, Tyskland. Julian Brandt ersätter Lars Stindl.
Foul av Raúl Jiménez (Mexiko).
Matthias Ginter (Tyskland) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Raúl Jiménez (Mexiko) träffar baren med en rubrik från mitten av lådan. Hjälpt av Hirving Lozano.
Försöket räddades. Julian Draxler (Tyskland) höger fotade skott från vänster sida av lådan sparas i nedre vänstra hörnet. Hjälpt av Jonas Hector.
Hörnet, Tyskland. Förföljd av Héctor Moreno.
Emre Can (Tyskland) visas det gula kortet för en dålig foul.
Rafael Márquez (Mexiko) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Emre Can (Tyskland).
Försök missade. Hirving Lozano (Mexiko) höger fotade skott utanför lådan missar till vänster. Hjälpt av Oswaldo Alanís.
Försök blockerat. Néstor Araújo (Mexiko) vänster fotade skott från mitten av lådan är blockerad. Hjälpt av Oswaldo Alanís.
Försök blockerat. Oswaldo Alanís (Mexiko) rubrik från mitten av rutan är blockerad. Hjälpt av Marco Fabián med ett kors.
Hörnet, Mexiko. Sammankallad av Marc-André ter Stegen.
Försöket räddades. Miguel Layún (Mexiko) höger fotade skott från höger sida av lådan sparas i nedre högra hörnet. Hjälpt av Héctor Herrera.
Héctor Herrera (Mexiko) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Leon Goretzka gjorde två mål i öppningen åtta minuter som Tyskland slog Mexiko 4-1 i Sotji för att gå med Chile i Confederations Cup finalen.