Pegula ganhou a decisão com parciais de 6-3, 2-6 e 6-1, em uma hora e meia de jogo.
A americana é a primeira tenista bicampeã do torneio desde que Martina Hingis conseguiu o feito em 1999-2000.
O resultado deixou Jessica Pegula a cerca de 500 pontos da 5ª colocada do ranking, a italiana Jasmine Paolini.
Este foi o 6º título da americana na carreira. Neste ano, ela conquistou também o WTA 500 de Berlim, em junho.
"Foi um ano de altos e baixos, mas essas são lágrimas de felicidade. Estou muito feliz", disse Pegula após a final, sem conter a emoção.
Fim da semana dos sonhos de Anisimova
O primeiro set foi vencido pela número 6 do mundo em apenas 27 minutos. No segundo set, Anisimova conseguiu uma quebra no terceiro game antes de abrir 5 a 2 e empatar a partida.
Depois de perder sua primeira parcial no campeonato, Pegula abriu 4 a 0 no set decisivo, cedendo apenas 3 pontos para a compatriota, e fechou o caixão em 6-1.
Pegula conquistou sua terceira vitória em três duelos contra a ex-número 132º do mundo, que foi a finalista com ranking mais baixo em 40 anos de torneio.
Anisimova eliminou quatro rivais do top 20 para chegar à sua quarta final da carreira, e subiu para o 49º lugar do ranking após o vice-campeonato no Canadá.