Recorde as incidências da partida
O americano, 21.º cabeça de série, vai defrontar o atual campeão Jannik Sinner ou o australiano Alex de Minaur por um lugar na final em Melbourne Park.
Numa batalha na Rod Laver Arena dominada pelo serviço, Shelton teve a vantagem sobre o seu adversário italiano nos dois primeiros sets.
No entanto, o número 55 do mundo recusou-se a baixar os braços e venceu o terceiro, antes de Shelton se reafirmar para ganhar um quarto set atribulado num tiebreak.
"Estou aliviado neste momento", disse Shelton, que fez o serviço mais rápido do torneio, com um registo de 232 km/h.
"Um aplauso para o Lorenzo porque foi um ténis ridículo", acrescentou Shelton, que chegou apenas à sua segunda meia-final do Grand Slam.
A sua primeira foi no US Open de 2023, onde foi derrotado pelo eventual campeão Novak Djokovic.
"Estou muito feliz por ter passado, conseguindo a minha primeira vitória aqui na Rod Laver", acrescentou o canhoto, que está a fazer a sua terceira participação no Open da Austrália.
Ambos os jogadores beneficiaram de um quarto do sorteio que ficou em aberto - depois das saídas antecipadas dos 10 primeiros classificados Taylor Fritz, Daniil Medvedev e Andrey Rublev - para chegarem aos oitavos de final.
Os quatro sets foram muito disputados e Shelton salvou três pontos de break para empatar a 3-3 no primeiro, conseguindo finalmente um break quando o italiano fez um longo parcial no nono jogo.
Shelton fechou a partida com um ás monstruoso.
Sonego deu então um dos golpes do torneio para salvar um break point no jogo seguinte.
O italiano mergulhou a todo o comprimento para um drop volley que rodou de forma tão perversa que ricocheteou sobre a rede antes que Shelton o pudesse recuperar.
O americano sorriu e deu um aperto de mão de felicitações, enquanto Sonego recebia a ovação de uma Rod Laver Arena lotada.
Shelton aumentou a vantagem para dois sets, graças a um winner de forehand, mas Sonego não estava acabado e recuperou um set com um break no final do terceiro.
Shelton finalmente ultrapassou a linha através de um tiebreak para garantir a sua vaga nos quartos de final em 3h50min.
Sonego, de 29 anos, pôs fim à carreira de dois dos jovens mais promissores do ténis e eliminou um antigo campeão a caminho dos seus primeiros quartos de final num Slam.
Eliminou o vencedor do Open da Austrália de 2014, Stan Wawrinka, na primeira ronda, e depois derrotou o campeão da NextGen, João Fonseca, de 18 anos, numa epopeia de cinco sets.
Na quarta ronda, superou o jovem Learner Tien, de 19 anos, que já tinha vencido o três vezes finalista Medvedev.
