Zhao a preluat controlul semifinalei câștigând toate cele opt frame-uri într-o sesiune remarcabilă vineri dimineața și a revenit pentru a termina treaba într-un stil emfatic mai târziu în cursul zilei.
Condus cu 12-4 în sesiunea de seară, O'Sullivan nu a reușit să forțeze o revenire.
Construcția agresivă a break-urilor de către Zhao a crescut presiunea și nu a mai putut fi împiedicat să devină al doilea jucător chinez care ajunge în finala Campionatului Mondial, după Ding Junhui, care a pierdut în fața lui Mark Selby în 2016.
Stângaciul în vârstă de 28 de ani, care încearcă să devină primul campion mondial chinez, îl va înfrunta pe Judd Trump sau pe Mark Williams în finala care se va desfășura de duminică până luni.
Zhao l-a aplaudat pe eroul său O'Sullivan după ce și-au strâns mâinile la finalul meciului.
"Nu pot să cred asta. Trebuie să îi mulțumesc lui Ronnie pentru că m-a ajutat mult înainte. El este idolul meu", a spus Zhao.
"Am încercat doar să mă bucur de Crucible. Este un moment uimitor pentru mine și vreau doar să mă bucur de el pentru că nu știu de câte ori se poate întâmpla aici.
"Am jucat aici și uneori mulțimea îl ajută pe Ronnie și el merită asta. El este o legendă aici, așa că a trebuit să mă controlez."
Întrebat cum va sărbători victoria memorabilă, Zhao a spus că plănuiește să aibă un "prânz mare".
"Zhao a jucat bine, și-a meritat victoria. Cred că s-a descurcat de minune tot turneul și tot creditul pentru Zhao", a spus O'Sullivan.
"Am fost groaznic pentru o vreme. Acele performanțe sunt acolo, le-am avut destul de regulat în ultima vreme.
"M-am simțit ca și cum nu i-am dat niciodată un joc, așa că e un pic dezamăgitor."
Septuplul campion și-a schimbat vârful tacului peste noapte, după ce l-a catalogat drept "groaznic" înainte de confruntarea cu Zhao din semifinalele de la Crucible.
Englezul a ieșit din prima sesiune la egalitate, 4-4, dar a pierdut toate cele opt frame-uri de vineri dimineață, când Zhao a pedepsit fără milă fiecare bilă ratată.
Fost câștigător al Campionatului Regatului Unit, Zhao joacă ca amator la Sheffield, continuându-și revenirea după o interdicție de 20 de luni pentru implicarea sa într-un scandal de pariuri.
În cealaltă semifinală, Williams a revenit de la un deficit de patru frame-uri în fața lui Trump pentru a egala la 8-8.
Trump a preluat conducerea cu 5-3 în sesiunea de joi și părea să mențină controlul după ce a câștigat primele două frame-uri ale zilei, dar Williams a replicat cu break-uri de 105 și 84, înainte de a câștiga un al 13-lea frame mai disputat, pentru a conduce cu 7-6.
Un break de 96 din partea galezului a asigurat egalitatea în sesiunea de sâmbătă dimineață.