Zverev, número 6 do mundo, precisou de 3h05 para vencer Alcaraz (2º do ranking) na Rod Laver Arena, com parciais de 6-1, 6-3, 6-7 (2) e 6-4.
O alemão encara o russo Daniil Medvedev (3º), na madrugada de sexta-feira (26), por uma vaga na decisão do Grand Slam.
Com um saque impecável, Zverev enfrentou um Alcaraz sem inspiração no início do duelo e levou os dois primeiros sets com autoridade.
O espanhol só acordou quando o alemão sacava em 5-3 no terceiro set para fechar o jogo.
Alcaraz passou então a mostrar seus incríveis golpes e a resiliência de sempre, e venceu o terceiro set sobrando no tie-break.
Mas o dia era de Zverev, que mesmo com o dedão do pé sangrando e doendo, superou o espanhol com duas quebras no quarto set.
Confira as estatísticas de Zverev x Alcaraz
O alemão acertou 85% de seus primeiros serviços na partida e ganhou 73% (69/94) dos pontos no primeiro saque, além de ter errado menos golpes que seu rival.
Esta foi a segunda vitória consecutiva de Zverev sobre Alcaraz, depois de derrotar o número 2 do mundo em novembro no ATP Finals. O alemão lidera por 5 a 3 no confronto direto entre ambos.
Esta foi também a primeira vitória de Zverev em um Grand Slam contra um adversário do top 5.
Com a derrota, Alcaraz não vai assumir a liderança do ranking da ATP na próxima segunda-feira. Novak Djokovic permanecerá como número 1 do mundo independentemente do resultado de sua semifinal contra Jannik Sinner.