Zhao, de 28 anos, deixou o tricampeão mundial Williams a tentar recuperar terreno, depois de ter tido um início fulgurante e vencido a primeira sessão por 7-1 no Crucible Theatre.
Mas Williams, de 50 anos, que procura tornar-se o campeão mundial de snooker mais velho da história, respondeu na sessão da noite.
Ainda assim, ficou a cinco frames de Zhao numa final disputada à melhor de 35 frames.
Williams tenta ultrapassar Ronnie O'Sullivan, que tinha 46 anos e 148 dias quando conquistou o seu sétimo título — um recorde na era moderna — em 2022.
O galês chegou à final apesar da sua idade e de problemas de visão.
Zhao, que joga actualmente como amador enquanto continua o seu regresso após uma suspensão de 20 meses por envolvimento num escândalo de apostas, teve de ultrapassar quatro rondas de qualificação.
Também protagonizou uma exibição impressionante ao derrotar O'Sullivan por 17-7, com uma sessão de avanço, na sua meia-final.
No domingo, Zhao, vencedor do Campeonato do Reino Unido de 2021, começou de forma dominante, vencendo os três primeiros frames, incluindo duas quebras de século.
Williams reduziu a desvantagem para 3-1 contra o compatriota canhoto Zhao.
Após o intervalo a meio da sessão, Zhao — apenas o segundo jogador da China a chegar à final do Mundial, depois de Ding Junhui — recuperou a vantagem de três frames com uma quebra de 57.
Williams voltou à boa forma com uma quebra de 61, mas falhou um canhão na preta com o frame à sua mercê. Depois, não conseguiu acertar bem numa vermelha e Zhao aproveitou para limpar a mesa.
Zhao encerrou a primeira sessão em grande estilo, com uma quebra de 104, antes de uma excelente planta numa vermelha o conduzir a um contributo de 83, colocando-o seis frames à frente.
Williams venceu os dois primeiros frames da sessão nocturna de domingo.
Mas Zhao, na sua primeira final do Mundial, voltou a assumir o controlo com uma quebra de 71 para fazer o 8-3, e ganhou o frame seguinte para recuperar a vantagem de seis frames.
Williams liderava por 23-0 no 15.º frame, mas permitiu que Zhao regressasse ao jogo após falhar duas vermelhas.
Zhao então conseguiu um excelente pote posicional, contornando os ângulos da vermelha para a azul, que originou uma impressionante quebra de 96 e uma vantagem de 10-5.
Williams esteve perto de vencer o frame seguinte com uma quebra de 63, mas falhou uma vermelha decisiva. Zhao manteve a calma e respondeu com uma livre de 71, recuperando a vantagem de seis frames, 11-5.
O último frame de domingo foi marcado por nervosismo, até que Williams, beneficiando de um snooker afortunado atrás do verde, conseguiu reduzir a desvantagem para cinco frames.