– Jag började väldigt, väldigt snabbt. Jag tittade inte på de andra banorna. Jag var fokuserad på mig själv, säger Marchand enligt AP.
22-årige Marchand låg under delar av loppet under sitt eget världsrekord på 4.02,50 från förra året men mattades den sista frisimslängden och gick i mål på 4.02,95 – klart under Phelps OS-rekordtid på 4.03,84 från Peking 2008.
Leon Marchand tränas för övrigt av samma coach som Phelps: Bob Bowman.
Segermarginalen på 5,67 till tvåan Tomoyuki Matsushita är den största någonsin i en OS-final i grenen.
Marchand har tre individuella lopp kvar i Paris.