Halmstad hade räknat med att sätta press på AFC Eskilstuna i kampen om den allsvenska kvalplatsen.
I stället släckte Örgryte klubbens hopp om att nästa säsong få spela i högsta divisionen igen.
Med matchens sista anfall – i 94:e minuten – tog Diego Montiel med sig bollen med högerfoten och med vänstern skickade han in 2–1-målet bakom målvakten Malkolm Nilsson.
Förlusten hemma på Örjans vall innebär att Halmstad tappade en placering i superettans tabell och är femma inför avslutningen borta mot Öster den 10 november.
Gustav Ludwigson gav Örgryte ledningen redan efter sju minuters spel. Marcus Mathisen kvitterade alldeles i början av andra halvlek. Efter hemmalagets Johan Oremos utvisning i 71:a minuten bytte lagen chanser men det var först på tilläggstid som Montiel avgjorde.
Helsingborg och Falkenberg är sedan tidigare klara för allsvenskan till nästa säsong.