Sinner, que busca seu quarto título de Grand Slam, fechou o jogo em 3 sets a 0, com parciais de 6-3, 6-3 e 6-4, em uma hora e 54 minutos na quadra central.
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O italiano de 23 anos vai enfrentar na grande decisão de domingo o espanhol Carlos Alcaraz (2º), que na outra semifinal derrotou o americano Taylor Fritz (5º).
O duelo será uma reedição da final de Roland Garros, vencida por Alcaraz no início de junho em uma partida épica de cinco horas e meia.
O número 1 do mundo se colocou mais uma vez no caminho de Djokovic em busca do recorde de Grand Slams. O sérvio de 38 anos tem 24 títulos de Major e é o maior vencedor junto com a lendária australiana Margaret Court.
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Sinner jogou com uma proteção no braço direito, depois de sentir dores no cotovelo durante as oitavas de final contra o búlgaro Grigor Dimitrov (21º), que teve que abandonar a partida quando vencia por 2 sets a 0 devido a uma lesão muscular.
Contra Djoko, o italiano não teve problemas para fechar os dois primeiros sets em 6-3, encaminhando uma vitória que parecia assegurada.
No entanto, o veterano sérvio não se rendeu e teve uma pequena reação, conseguindo uma quebra de serviço no segundo game da terceira parcial e abrindo 3-0 de vantagem.
Mas Sinner voltou a se impor e venceu cinco games consecutivos, quebrando duas vezes o saque de Djokovic para abrir 5-3 e, posteriormente, fechar em 6-4.
O italiano lidera o retrospecto de confrontos contra Djokovic, com seis vitórias e quatro derrotas, tendo vencido os cinco últimos jogos.
Sinner também evitou uma terceira final consecutiva em Wimbledon entre Alcaraz, atual bicampeão do torneio, e Djokovic.
"É um torneio que eu sempre assistia na TV quando era novo e nunca imaginei que conseguiria jogar a final", disse o italiano após a partida.
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"No terceiro set, vimos que ele (Djokovic) estava um pouco lesionado, mas tentei manter a calma e jogar o melhor tênis que pude", acrescentou.
Jannik Sinner e Carlos Alcaraz já se enfrentaram 12 vezes, com retrospecto amplamente favorável para o espanhol, que venceu oito desses jogos.