Sinner fechou o jogo em 2 sets a 1, com parciais de 7-6 (11/9), 5-7 e 7-6 (7/4), em três horas e sete minutos.
Em um duelo intenso e acirrado, o italiano saiu com a vitória depois de salvar dois set points no tie-break do primeiro set, que foi temporariamente interrompido pela chuva quando Sinner vencia por 3-2.
"Foi um jogo difícil, muito emocionante", declarou o número 1 do mundo. "Jogamos em condições diferentes: com sol, chuva e depois à noite".
"Havia muita tensão para nós dois. Estou muito feliz com meu desempenho e feliz por estar na final", acrescentou.
Com a vitória, Sinner se torna o primeiro italiano a chegar à final em Cincinnati, sua quinta de Masters 1000 e a segunda este ano, depois do título em Miami, em março.
Sinner, que completou 23 anos na última sexta-feira, vai enfrentar na decisão do torneio o americano Frances Tiafoe, que na outra semifinal derrotou o dinamarquês Holger Rune por 2 sets a 1, com parciais de 4-6, 6-1 e 7-6 (7/4).
Tiafoe vai ser o primeiro norte-americano em uma década a jogar a decisão do torneio em Ohio. Ele busca o primeiro título de Masters 1000 da carreira.
A final Cincinnati será disputada nesta segunda-feira, a partir das 19h (horário de Brasília).
Tiafoe e Sinner já se enfrentaram 4 vezes na carreira – todas na quadra dura –, com uma vitória para o americano e três para o italiano.