Bertens, petenis peringkat delapan dunia, sempat tertinggal 5-2 pada set pertama sebelum melakukan gebrakan perlawanan yang luar biasa.
"Saya ingin mengucapkan selamat kepada Donna pada minggu yang hebat dan maaf untuk hari ini," kata Bertens setelah menerima trofi-nya itu. "Ini adalah final yang luar biasa untuk dimainkan ... saya akan kembali tahun depan."
Petenis Belanda itu memenangi 17 dari 18 poin untuk mengimbangi dan kemudian memenangkan tiebreak set pertama melawan Vekic, yang dengan tekad kuatnya petenis Kroasia mengeluarkan serangan tak terduga sebelum dipatahkan servisnya di awal set kedua.
Vekic, 22, menolak menyerah tanpa perlawanan. Ia balik mematahkan serangan dan memenangkan tiga game berturut-turut sebelum Bertens kembali bangkit untuk memadamkan peluang pertandingan ke set ketiga dengan break servis kedua yang menentukan.
Kedua petenis masing-masing membuat 33 kesalahan sendiri, tetapi Bertens memenangkan 79 persen dari poin servis pertamanya dan menekan delapan ace dan 27 kemenangan dibandingkan dengan Vekic yang hanya 16.
"Selamat kepada Kiki. Anda terlalu kuat untuk saya hari ini," kata Vekic. "Saya benar-benar menantikannya untuk bermain ganda di Indian Wells.
"Maaf, (pelatih) Torben (Beltz) kami harus menunggu sedikit lebih lama untuk meraih gelar pertama itu tetapi setidaknya dengan final semakin besar."
Baca juga: Kalahkan Zvonareva, Vekic ke final St. Petersburg
Baca juga: Osaka mundur, Kiki Bertens ketiban pulung
Baca juga: Bertens pecundangi Kerber di Singapura