Zhao tinha estabelecido o controlo da meia-final ao vencer todos os oito frames numa sessão notável na manhã de sexta-feira e voltou para terminar o trabalho em estilo enfático no final do dia.
Com uma vantagem de 12-4 na sessão da noite, O'Sullivan não conseguiu forçar uma mudança de ritmo.
A agressiva construção de breaks de Zhao aumentou a pressão sobre O'Sullivan e não havia como impedi-lo de se tornar o segundo jogador chinês a chegar à final do Campeonato do Mundo, depois de Ding Junhui, que perdeu para Mark Selby em 2016.
O esquerdino de 28 anos, que tenta tornar-se o primeiro chinês campeão do mundo, vai defrontar Judd Trump ou Mark Williams na final, que decorre de domingo a segunda-feira.
Zhao aplaudiu o seu herói O'Sullivan depois de terem apertado calorosamente as mãos no final do jogo.
"Não posso acreditar nisto. Tenho de agradecer ao Ronnie porque ele já me ajudou muito antes. Ele é o meu ídolo", disse Zhao.
"Tentei apenas desfrutar do Crucible. É um momento fantástico para mim e só quero aproveitá-lo porque não sei quantas vezes pode acontecer aqui. Já joguei aqui e por vezes o público ajuda o Ronnie e ele merece isso. Ele é uma lenda aqui, por isso tive de me controlar".
Questionado sobre como irá celebrar a memorável vitória, Zhao disse que planeia fazer um "grande almoço".
"O Zhao jogou bem, mereceu a vitória. Acho que ele esteve brilhante durante todo o torneio e o mérito é todo dele", disse O'Sullivan.
"Tenho sido péssimo durante algum tempo, essas atuações estão aí, têm aparecido com bastante regularidade nos últimos tempos. Senti que nunca lhe dei um jogo, o que é um pouco dececionante", lamentou ainda.
O'Sullivan, sete vezes campeão, mudou a ponta do seu taco de um dia para o outro, depois de a ter classificado como "horrível" antes do confronto dos quartos de final no Crucible Theatre de Sheffield.
Mas o inglês perdeu todos os oito frames na manhã de sexta-feira, com Zhao a castigá-lo impiedosamente para infligir apenas a quarta sessão de whiteball da longa carreira de O'Sullivan no Campeonato do Mundo.
Antigo vencedor do Campeonato do Reino Unido, Zhao está a jogar como amador em Sheffield, enquanto continua o seu regresso após uma proibição de 20 meses devido ao seu envolvimento num escândalo de apostas.
Na outra meia-final, Williams recuperou de uma desvantagem de quatro frames contra Trump para empatar a 8-8.
Trump começou com uma vantagem de 5-3 na sessão de quinta-feira e parecia manter o controlo depois de vencer os dois primeiros frames do dia.
Mas Williams respondeu com pausas de 105 e 84 antes de ganhar um 13.º frame mais disputado para ficar a 7-6.
Trump ganhou o próximo frame, mas Williams ganhou um tenso 15.º frame, selando-o com a pink ball.
Um excelente apuramento do galês garantiu a paridade na sessão de sábado de manhã.