Zhao, que continua a desafiar as expectativas em Sheffield, teve um início mais brilhante.
A estrela chinesa de 28 anos, que competiu como amador esta época, depois de ter regressado de uma suspensão, não mostrou sinais de nervosismo na sua estreia no Crucible.
Zhao abriu uma vantagem de 2-0 com pausas compostas de 60 e 62, dando a entender o seu vasto talento natural.
Mas O'Sullivan, sempre competitivo e a participar numa meia-final do Campeonato do Mundo pela 14.ª vez, respondeu de forma tipicamente implacável.
O sete vezes campeão mundial conseguiu três quebras de meio século sucessivas para mudar o ritmo e estabelecer uma vantagem de 3-2.
No resto da sessão, os dois jogadores trocaram golpes. Zhao recuperou a compostura com um elegante break de 86 - com um soberbo preto no canto direito - para empatar mais uma vez as contas em 4-4 antes do recomeço na manhã de sexta-feira.
O confronto entre os dois jogadores, à melhor de 33 quadros, continuará ao longo de quatro sessões, com um lugar na final em jogo para ambos.
Enquanto O'Sullivan persegue um recorde de oitava coroa Crucible para consolidar o seu estatuto como o maior jogador moderno da modalidade, Zhao está a tentar completar uma das histórias de regresso mais extraordinárias do snooker.
A outra meia-final - com o tricampeão Mark Williams e o vencedor de 2019 Judd Trump - está programada para começar mais tarde, às 19:00.