Tredje-rangerte Williams vant programmessig første sett 6-3, men ble slått 7–5 og 6–4 i de to neste. Kampen varte i to timer og 17 minutter.
Stephens var så overveldet av lykke etter seieren at hun ikke visste hvordan hun skulle uttrykke seg.
– Dette er helt crazy, sa hun i tv-intervjuet etterpå mens gledestårene rant. – Nå vil jeg sette opp en plakat av meg selv, la hun til.
Hittil har hun hatt bilder av Serena Williams på veggen hjemme.
.Serenas første tap på 21 kamper
19-åringen har lenge vært regnet som en mulig framtidig verdensener og den som kunne ta opp arven etter Williams-søstrene.
Hun deltar i sin sjuende grand slam-turnering, men har aldri tidligere kommet lenger enn til fjerde runde (Roland Garros i fjor). I Australian Open i fjor ble hun slått ut i andre runde, og er bare rangert som nummer 29 i årets turnering.
Williams tapte for første gang på 21 kamper, og for første gang i grand slam-sammenheng siden det åpne franske mesterskapet i juni. Siden har hun vunnet Wimbledon og US Open, i tillegg til OL-gull og WTA-mesterskapet.
31-åringen var favoritt til å sikre seg sin tredje grand slam-tittel på rad. Hun har alt i alt 15 av dem fra før.
Williams pådro seg en skade i ryggen i andre sett, men fikk behandling og kjempet seg tilbake. Hun fikk imidlertid ikke servene til å sitte slik som hun kan på sitt beste, og det utnyttet motstanderen. Williams ledet 4–3 i tredje sett, men ble tvunget på defensiven og tapte.
Sloane Stephens kunne dermed juble over semifinalekamp mot verdensener og tittelforsvarer Victoria Azarenka, som slo Svetlana Kuznetsova enkelt 7–5 og 6–1.