Svenskan gick ut kontrollerat men var bara sexa när fältet svängde in på upploppet. Malmberg svepte genom fältet och passerade sist favoriten Stina Troest, Danmark, som var tvåa på 56,01.
– Jag kände att det kan bli medalj när jag gick över sista häcken. Då var det bara att slakta allt över mållinjen. Alla svenskar stod och skrek, så jag fattade att jag hade vunnit, säger Malmberg till Friidrott.se.
De fyra första var samlade inom 0,17 i det extremt tajta loppet i Tallinn.
Malmberg, som haft hälproblem och inte kunnat träna som hon velat, såg lätt chockad ut efter målgång och firade insvept i en svensk flagga. Hon hade bara fjärde bästa tid till finalen efter en strulig semifinal.
Det var första gången Sverige tog ett JEM-guld i den här grenen. Malmberg är sedan tidigare klar för VM i Peking i slutet av augusti. Vid JEM för två år sedan blev Malmberg sexa – i längdhopp.