Lisicki hade chansen att serva hem matchen vid 5-4 men tappade serven. Vid 8-7 fick hon chansen igen, gick fram till 40-0 och avgjorde på sin andra matchboll.
Tyskan sjönk ner på knä när segern var klar och grät glädjetårar.
– Det var ett slag. Jag är så nöjd att ha vunnit det, säger Lisicki, som aldrig varit i en Grand Slam-final tidigare.
Efter att ha brutit blankt till 1-0 i andra set tappade Lisicki fem raka servegames. Först vid 3-0 i tredje set stoppades blödningen.
Tyskan gick upp till 3-3, och sedan var det mycket jämnt och tätt resten av setet. Lisicki bröt fram till 5-4 men lyckades alltså inte serva hem matchen förrän hon fick en ny chans vid 8-7.
Var i semifinal 2011
– Jag tänkte att om jag kunde slå Serena Williams så kan jag vinna i dag också, det var bara att hänga i, säger Lisicki.
Bartoli nådde final i Wimbledon 2007 och fick då se sig besegras av Venus Williams. Lisicki var i semifinal 2011.
Tyskan möter Marion Bartoli i finalen. Det är bara andra gången i Wimbledons moderna historia (45 år) som två damspelare som aldrig varit i en Grand Slam-final möts i finalen.