Det krävdes bara två set för japanskan Naomi Osaka att slå ut Williams med siffrorna 6–3, 6–4 i Melbourne.
Osaka, som vann Australian Open 2019, närmar sig därmed sin fjärde grand slam-titel.
– Det är alltid en ära att få spela mot henne och jag ville inte floppa. Jag ville verkligen göra mitt bästa, sade Osaka efter den drygt en timme långa matchen.
– Som barn såg jag henne spela och bara att få möta henne är en dröm, säger Osaka om sin motståndare.
I finalen ställs hon mot Jennifer Brady.
”För många enkla misstag”
För 39-årige Serena Williams innebär uttåget ur turneringen att hon missar chansen att tangera Margaret Courts rekord på 24 grand slam-titlar och amerikanskan var rejält besviken efter matchen.
– Jag hade så många möjligheter. Jag gjorde bara för många misstag, för många enkla misstag, sade hon innan hon lämnade planen i tårar.
Kan vara sista matchen
På väg ut från planen stannade hon till när publiken gav henne stående ovationer. Hon fick sedan frågan om detta var hennes farväl till Melbourne Park, där hon senast vann 2017.
– Jag vet inte. Om jag någonsin säger farväl så kommer jag inte att berätta det för någon så...,svarade Williams.
KLIPP: Här lämnar Serena Williams presskonferensen i tårar