Guardiola memasukkan Kevin De Bruyne saat jeda dan Erling Haaland setelah 56 menit, tetapi timnya yang lesu menyelesaikan tanpa tembakan tepat sasaran.
Southampton belum pernah menjuarai Piala Liga, kalah di final 1979 dan 2017, dan mereka akan menghadapi Newcastle di semifinal dua leg pada Januari nanti.
Pelatih Saints Nathan Jones berharap kesuksesan yang mengejutkan ini bisa menjadi batu loncatan menuju trofi dan, yang lebih penting, kelangsungan hidup Liga Premier.
"Kami telah melalui banyak hal baru-baru ini, orang-orang mempertanyakan banyak hal. Itu sedikit membenarkan mengapa kami ada di sini dan tim apa yang kami coba buat," kata Jones.
Nottingham Forest mendapatkan pertandingan empat terakhir melawan Manchester United setelah mengalahkan Wolves 4-3 melalui adu penalti menyusul hasil imbang 1-1 di City Ground.
Setelah kekalahan Piala FA yang memalukan akhir pekan lalu melawan divisi kedua Blackpool, Forest kembali ke jejak Wembley saat mereka mencapai semifinal Piala Liga untuk pertama kalinya sejak 1992.
Mereka memimpin melalui penyelesaian jarak dekat dari mantan bek tengah Wolves Willy Boly pada menit ke-18.
Raul Jimenez menyamakan kedudukan pada menit ke-64 Wolves, tetapi Dean Henderson adalah bintang tembak-menembak Forest saat ia menyelamatkan penalti dari Joe Hodge dan Ruben Neves.