Djokovic, de 36 anos, superou Fritz por 3 sets a 1, parciais de 7-6 (3), 4-6, 6-2 e 6-3, em 3h48min.
Confira as estatísticas da partida
Decacampeão do Australian Open, o sérvio enfrentará na próxima fase o vencedor do duelo entre Jannik Sinner e Andrey Rublev.
Esta será a 48ª semifinal de Djokovic em um Grand Slam. Em Melbourne, ele venceu até aqui todas as 10 que disputou.
Nas quartas de final, Djokovic manteve sua invencibilidade contra Taylor Fritz, número 12 do ranking, mas teve dificuldades contra o americano.
"Sofri muito nos primeiros sets, estava muito quente. Foi físico e emocionalmente desgastante", disse o sérvio em entrevista na quadra com o australiano Nick Kyrgios, que está lesionado e não joga o torneio.
Djokovic venceu o primeiro set depois de salvar dois set points em 5-6, mas não conseguiu confirmar seus primeiros 15 break points e perdeu a segunda parcial após uma quebra precoce.
No terceiro set, Nole aproveitou suas duas chances de quebra e rapidamente recuperou o controle do confronto.
No total, Djokovic fez 20 aces contra 16 de Fritz, que esteve em um dia ruim no saque (apenas 58% de aproveitamento do primeiro serviço).
Apesar da derrota, o resultado fará o americano retornar ao top 10 do ranking da ATP.
Já o número 1 do mundo está a apenas duas vitórias de seu 25º título de Grand Slam, algo inédito na história do tênis.