Recorde as incidências da partida
O jogo teve de ser suspenso a 6-6 no primeiro set, depois de o céu se ter aberto e encharcado o court central.
Depois de o telhado do Qizhong Tennis Centre ter sido fechado, e de uma série de voluntários terem secado o campo com uma toalha, Dimitrov, número 19 do mundo, conseguiu um desempate apertado e, em seguida, venceu o segundo set.
"Eu sabia que ia ser um jogo muito competitivo. Khachanov está com fome e é muito competitivo - mas eu também sou", disse o búlgaro de 32 anos após a sua vitória.
"A chuva não foi agradável, mas no final é preciso adaptarmo-nos e foi isso que consegui fazer", acrescentou.
O cabeça de série Carlos Alcaraz vai tentar garantir o seu lugar na quarta ronda, mais tarde, contra o britânico Daniel Evans, 33.º do ranking mundial.
Já eliminado está Jannik Sinner, que venceu Alcaraz nas meias-finais do Open da China, em Pequim, na semana passada.
Mas o atual campeão, Daniil Medvedev, está fora do torneio, depois de uma derrota surpreendente às mãos do americano Sebastian Korda, 26.º classificado, no domingo.