St Pierre vann på mästerskapsrekordet 8.20,87 mot Tsegays 8.21,13. Trean Beatrice Chepkoech satte kenyanskt rekord med 8.22,68 i detta högklassiga lopp.
Jessica Hull från Australien sprang in på 8.24,39 och blev fyra utan att ens få en medalj med den tiden.
– Det var så häftigt med ett amerikanskt rekord och jag slog mitt personrekord med 4,5 sekunder, säger St Pierre till SVT Sport.
Genzebe Dibaba har världsrekordet
Hon kände av det höga tempot i mitten av loppet men bestämde sig för att gå med och testa gränserna.
– Jag var inte säker på guldet förrän de sista meterna, kanske de sista tio meterna, säger St Pierre som är trea genom tiderna i grenen efter Genzebe Dibaba, 8.16,60, och just Tsegay som sprungit på 8.16,69.
Tsegay har världsrekordet utomhus på 5000 meter med 14.00,21.