En un duelo muy igualado, Tiafoe dominaba por 6-3, 6-7 (5/7), 6-3 y 4-1 cuando Dimitrov abandonó por un aparente problema muscular que sufrió hacia el final del tercer set.
"No es la manera en la que quería alcanzar las semifinales pero estoy contento de lograrlo", reconoció Tiafoe con su triunfo cerca de la medianoche de Nueva York.
El duelo entre Tiafoe y Fritz implica que por primera vez desde 2006 habrá un estadounidense en una final masculina del Grand Slam de Nueva York.
"Es el mayor partido en la vida de Taylor. Nos conocemos de siempre y jugamos juntos desde los 16 años", recordó Tiafoe.
"Aunque los dos somos estadounidenses, espero que me apoyen a mí el viernes", pidió el carismático Tiafoe al público.
Tiafoe y Fritz pugnarán por suceder a Andy Roddick, el último finalista (2006) y campeón (2003) estadounidense en Flushing Meadows.
La retirada de Dimitrov, que se lastimó poco antes de perder el tercer set, cerró abruptamente un partido muy igualado con algunas fases de tenis brillante.
Tiafoe, que cayó en las semifinales de 2022 ante el después campeón Carlos Alcaraz, se adjudicó el primer set con un tenis explosivo que entusiasmó a los más de 20.000 espectadores de la pista central de Flushing Meadows.
El experimentado Dimitrov llegó a verse 1-4 abajo pero consiguió aplacar a la ruidosa pista Arthur Ashe con varios golpes imposibles con los que entró en ritmo.
Dimitrov quebró en dos ocasiones a Tiafoe y se adjudicó el set en el 'tiebreak' bajo la mirada en la grada de Roger Federer, invitado de lujo en Flushing Meadows.
En sus mejores momentos del partido, el talentoso tenista búlgaro desplegó el poder de su revés a una mano, la técnica en peligro de extinción que sublimó el gigante suizo.
A sus 33 años, Dimitrov tenía su mejor oportunidad de llegar a la final del US Open, cinco años después de caer en otras semifinales ante Daniil Medvedev.
El tercer set se convirtió en el pulso decisivo y se lo adjudicó Tiafoe gracias a un vital 'break' en el sexto juego.
Tras ceder el set con una doble falta, el búlgaro tomó asiento señalándose la parte posterior de su muslo izquierdo y se retiró cojeando al vestuario.
Unos minutos después, Dimitrov volvió para competir en cinco juegos visiblemente limitado y entre gestos de dolor antes de caminar hacia la red para felicitar a Tiafoe.