Den 33-årige dansker spillede sin blot femte kamp efter sit opsigtsvækkende comeback og leverede med længder sin bedste præstation i sejren, der lød 7-5, 7-6.
Kvitova er fuld af lovord efter nederlaget.
"Det er altid svært mod Caroline, også selv om hun har været væk i nogle år. Det var ikke til at mærke. Hun spillede virkelig god tennis, men det var også, hvad jeg forventede," siger Petra Kvitova.
"Hun servede virkeligt godt, hvilket kom en smule bag på mig. Jeg husker ikke så meget fra vores tidligere møder, da tiden flyver, men måske var hendes forhånd også bedre end tidligere. Hun spillede i hvert fald god tennis."
Mens Wozniacki blot lavede 13 uprovokerede fejl, stod Kvitova for hele 39. Kvitova erkender, at det blev svært, når danskeren fik så mange bolde tilbage og lavede så få fejl.
"Det var selvfølgelig hårdt. Hun havde ikke så meget at tabe, og så kan det være lidt nemmere. Det er ikke sikkert, at Caroline havde det sådan, men sådan følte jeg, at det var på banen," forklarer Kvitova.
Hun følte sig ikke på toppen i kampen, der blev spillet på verdens største tennisarena, Arthur Ashe Stadium.
"Jeg fik aldrig det bedste frem i mig selv og var ikke i stand til at bringe mig selv i bedre positioner. Jeg følte mig flad for energi. Jeg har haft problemer med helbredet siden Montreal (for tre uger siden, red.), men det er, hvad det er og skal ikke være en undskyldning for nederlaget," lyder det fra den 33-årige tjekke.
Wozniacki skal i tredje runde på fredag møde amerikaneren Jennifer Brady.