De amerikanske mænd har ikke vundet den disciplin, de tidligere dominerede, siden 2000, men Christian Coleman, som var med for første gang ved legene, satte dem godt i gang.
Fred Kerley, som var involveret i det fejlslagne skifte, der satte en stopper for deres håb i Tokyo, løb en stærk anden etape, overlod depechen til den grønhårede Kyree King, og Courtney Lindsey bragte dem hjem i tiden 37,47 sekunder.
Akani Simbini løb en forrygende sidste etape og bragte Sydafrika op på andenpladsen i 37,94, lige foran Storbritannien (38,04).
Et imponerende Kina vandt det andet heat i tiden 38,24, Frankrig blev nummer to i tiden 38,34, mens Jamaica, der var mestre i 2012 og 2016, kiksede to skift, endte på fjerdepladsen og går glip af fredagens finale.
De amerikanske kvinder tog guld foran deres store rivaler i 2012 og 2016, men blev slået tilbage til andenpladsen i Tokyo.
Jamaica er dog uden de superstjerner, der bragte dem guldmedaljerne for tre år siden, mens USA til gengæld var i stand til at stille med en uhyre stærk og formstærk kvartet.
Melissa Jefferson (nr. 3 på 100), Twanisha Terry (nr. 5 på 100), Gabby Thomas (guldvinder på 200) og Sha'carri Richardson (sølv på 100) udgør holdet, og de tre sidstnævnte vandt VM-guld i stafet sidste år.
De havde problemer ved det andet skifte, da Terry kæmpede for at fange Thomas og dermed tabte betydeligt terræn til Tyskland, som Richardson dog indhentede med en fantastisk sidste etape, da de kvalificerede sig som de hurtigste i tiden 41,94 sekunder.
Storbritannien, der har vundet bronze ved de seneste to lege, gik videre som vindere af det andet heat i 42,03 og vil blive styrket betydeligt, når Dina Asher-Smith og Daryll Neita vender tilbage til finalen.
Der var også glæde for Frankrig, der kom på andenpladsen (42,13), mens Jamaica kæmpede sig hjem på en tredjeplads i tiden 42,35.
Canada sluttede på fjerdepladsen i en national rekordtid på 42,50 og gik dermed videre til fredagens finale som den hurtigste taber.
