Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Substitutet var på väg mot Cristiano Ronaldo efter att Clint Dempsey hade skickat igenom amerikanerna.
Portugal tog en tidig ledning genom Nani, men Jermaine Jones fantastiska strejk jämnade ut poängen strax efter en timme.
En dragning mellan Tyskland och USA kommer att se igenom båda, medan Portugal måste slå Ghana för att ha en chans att göra framsteg.
Portugal förlitar sig på en seger i Tyskland och måste också uppnå en sex-måls gunga om de ska pippa USA till andra plats och nå de sista 16.
Realistiskt hade de behövt vinna i Amazonas regnskog efter en 4-0 thrashing av Tyskland i deras öppningsspel, men deras prestanda var åtminstone en markant förbättring på det som visar i Salvador.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
För USA - som hade öppnat med en sen seger över Ghana - var detta en föreställning som kännetecknades av angrepp mot verve och defensiv slöhet, den senare som gjorde det möjligt för den europeiska sidan att tävla in i en femte minuts ledning, och även att slå tillbaka med den sista visselpipan sekunder bort.
Deras första defensiva fall kom när Geoff Cameron skar ett försök till klarering över ansiktet av sitt mål till Nani, Manchester United ytter efter eftertryckligt förbi Everton Keeper Tim Howard.
Det tidiga målet satte amerikanerna i handling, och de jagade spelet för att skapa anständiga chanser som Clint Dempsey och Michael Bradley misslyckades med att testa Portugal Keeper Beto.
Men medan Portugal såg sårbart ut för USA:s snabba motangrepp, förblev de ett hot som gick framåt själva och gick nära på att fördubbla sin ledning strax före pausen när Nani slog till mot posten utanför området, och Eders uppföljning drevs briljant över av Howard.
"Michael Bradley, en av våra mest erfarna spelare, förlorar det som ger Cristiano Ronaldo chansen.
"Nu är USA i en farlig situation, och det kan komma ner till målskillnad mot Ghana - som ser bättre ut än Portugal på detta bevis."
Ronaldos deltagande hade varit i vissa tvivel efter en bout av seninflammation i hans vänstra knä, och medan World Player of the Year såg bra ut när leverera sina lagkamrater, hans avslutning var egensinnig.
Tio minuter in i andra halvlek, Bradley borde ha utjämnats, men mittfältarens sidofotade skott från nära håll rensades utmärkt av Ricardo Costa.
Missen glömdes dock snart, när Jones side-stepped Nani innan böjning i ett lysande skott från utanför lådan bortom den statiska Beto.
Med mindre än 10 minuter kvar, Dempsey böjde sig för att guida bollen i off hans midriff från nära håll för vad som såg ut att vara vinnaren, tills försvaret stängdes av igen i 94: e minuten och Varela dök för att möta Ronaldos kors och hävda vad som fortfarande kan visa sig vara en avgörande punkt.
USA coach Jurgen Klinsmann: "När du medger i sista sekunden är det olyckligt, men det var ett fantastiskt spel från oss - jag kan inte be om mer. Nu måste vi få ett resultat mot Tyskland och det är vad vi ska göra.
"Vi kommer att ta ännu mer förtroende i nästa spel. Det kommer att bli ännu en final, men det är vad VM handlar om.
"Tyskland spelade igår och så har mer tid att återhämta sig. Vi spelade i Amazonas och de har inte behövt resa så mycket. Allt har gjorts lätt för favoriterna, medan vi måste kämpa för att gå igenom, men det är vad vi kommer att göra."
Portugals chef Paulo Bento: " Det är uppenbarligen inte ett bra resultat för oss. De 2-2 sätter oss inte ur VM matematiskt, men det lämnar oss i en mycket svår situation.
"Inte bara på grund av vad vi kommer att behöva göra mot Ghana, men också för att vi behöver ett positivt resultat från Tyskland-Förenta staterna spelet.
"Vi hade otur sent i första halvlek, men det var en stor ansträngning att jämna ut matchen (i andra hälften stopptid).
"Nu allt vi kan göra är att ge allt i vår allra sista match och försöka göra det mesta av den mycket lilla chans som vi har kvar."
Silvestre Varela's equalizer djupt in i skada tid höll Portugal i VM som deras grupp G sammandrabbning med USA slutade i en dramatisk dragning i Manaus.