Shelton fechou o jogo em 3 sets a 1, com parciais de 6-4, 7-5, 4-6 e 7-6 (7/4), em três horas e 50 minutos na Rod Laver Arena, em Melbourne.
O americano de 22 anos vai enfrentar por uma vaga na final outro jogador italiano, Jannik Sinner, o número 1 do mundo, que eliminou o australiano Alex de Minaur (8). A semifinal será nesta sexta-feira.
Shelton vai para sua segunda semifinal de Grand Slam, depois de disputar a do US Open em 2023.
Sonego, de 29 anos, estava pela primeira vez em uma fase de quartas de final de um Major. Vencedor no último duelo contra Shelton, na primeira rodada de Roland Garros 2023, o italiano tem agora um retrospecto de duas derrotas e uma vitória contra o americano.
Sonego havia eliminado o brasileiro João Fonseca na 2ª rodada do torneio australiano.