En mållös förstaperiod följdes av en mittakt där Luleå var det bättre laget rent spelmässigt, men Frölunda gjorde målen.
Ryan Lasch tog ledningen åt Göteborgslaget i powerplay när han rakade in en retur efter skott från Mikael Wikstrand.
Lasch utökade också ledningen åt Frölunda efter ett skott som gick klockrent i ribban, via ryggen på Joel Lassinantti, och över mållinjen med någon centimeters marginal.
Luleå gick för att komma tillbaka i den tredje perioden, men när Anton Axelsson satte 3-0 i öppen kasse såg tillställningen ut att vara avgjord - trodde de flesta.
Luleå gav sig dock inte och Jonathan Granström kunde först hitta nätet innan Chris Abbott med 52 sekunder kvar reducerade till 2-3.
Norrbottningarna hade sedan möjligheter att kvittera, men Mattias Janmark kunde med 17 sekunder kvar skjuta in 4-2 i tom bur och där med skicka Luleå ur slutspelet.
Säsongen är där med över för Luleå Hockey.
– Det är oerhört tungt, självklart. Vår ineffektivitet fäller oss, säger Joakim Fagervall till C More.
Roger Rönnberg, som under kvartsfinalserien bedrivit ett offensivt psykkrig mot Luleå Hockey, valde att hylla Luleå efter att hans Frölunda gått vidare till semifinal mot Växjö.
– Jag måste börja med att hylla Luleå. De har ställt upp bra både på och utanför isen, sa han till C More.