Djokovic, som har vundet fire gange i New York , tabte 6-4, 6-4, 2-6, 6-4 i tredje runde til Alexei Popyrin fra Australien, som er nummer 28 på verdensranglisten, og dermed var han endnu en gang blot frustrerende tæt på at vinde sin 25. Grand Slam-titel.
Hans nederlag, hvor han slog ukarakteristiske 14 dobbeltfejl og begik 49 uprovokerede fejl, betyder, at han for første gang siden 2017 slutter sæsonen uden en Grand Slam-titel.
"Den måde, jeg spillede på fra begyndelsen af turneringen, og at jeg nåede tredje runde, er en succes," sagde en fortvivlet Djokovic, som fortsat er strandet på 24 Slam-titler sammen med Margaret Court.
"Jeg har spillet noget af mit værste tennis nogensinde."
Djokovic indrømmede, at anstrengelserne og eftervirkningerne af at have vundet OL-guld i Paris for bare fire uger siden påvirkede hans kedelige New York-kampagne.
"Det er klart, at det havde en effekt. Jeg brugte en masse energi på at vinde guldet, og jeg ankom til New York uden at føle mig frisk mentalt og fysisk.
"Men fordi det er US Open, gav jeg det et skud, og jeg gjorde mit bedste. Jeg havde ingen fysiske problemer. Jeg følte mig bare løbet tør for gas."
Det seneste knusende tilbageslag kommer i et år, hvor Jannik Sinner efterfulgte ham som Australian Open-mester, før Carlos Alcaraz tog hans French Open-krone og fejede ham af banen i Wimbledon-finalen.
Efter at have besejret ham i Australian Open-semifinalen fortsatte Sinner med også at tage hans førsteplads på verdensranglisten, som Djokovic havde haft i sammenlagt 428 uger.
En knæskade, som krævede operation, tvang Djokovic til at trække sig fra French Open aftenen før sin kvartfinale.
Hans bedring var stadig ikke stærk nok til at forhindre Alcaraz i at vinde sit ottende Wimbledon.
Fredagens forbløffende resultat betyder, at for første gang siden 2002 er ingen af de tre store turneringer blevet vundet af Djokovic, den fraværende Rafael Nadal eller den pensionerede Roger Federer.
Serberens exit fredag var endnu et slag mod US Open, efter at Alcaraz blev chokeret i anden runde torsdag.
"Jeg spillede god tennis," sagde Popyrin, som blev overvåget i sin spillerboks af Lleyton Hewitt, manden, der slog Djokovic ud i tredje runde i New York i 2006.
"At være i fjerde runde af en Grand Slam ved at slå den største nogensinde er utroligt."
Den eneste trøst for Djokovic i et frustrerende år var, at han vandt OL-guld i Paris tidligere i august.
Olympisk guld
Han beskrev den følelsesladede sejr over Alcaraz som sin "største bedrift", da han blev den blot sjette spiller, der gennemførte Golden Slam med fire majors og olympisk guld.
Den titel - den 99. i hans karriere - kan vise sig at blive hans sidste afgørende øjeblik i solen.
Hvis han bliver ved med at spille til 2025 og sikrer sig sin 11. Australian Open-krone i januar, vil han være den ældste mandlige Grand Slam-mester i moderne tid.
Fredag betalte Djokovic en høj pris for ikke at udnytte fem breakbolde i det sjette parti i åbningssættet mod den 12 år yngre Popyrin.
Australieren havde ikke de samme problemer i det niende parti, hvor han udnyttede en enkelt breakbold, før han selvsikkert servede sættet hjem.
Popyrin havde tabt til Djokovic ved Australian Open og Wimbledon i år, men ankom til New York opmuntret af at have vundet sin første Masters-titel i Montreal.
Selvtilliden på hardcourt skinnede igennem, da han brød til 3-2 i andet sæt, fulgte op til 4-2 og vandt sættet med en selvsikker serv og volley.
"Livet går videre
Djokovic brugte dog alle sine kræfter på at komme tilbage og reducere underskuddet med to egne breaks i tredje sæt.
En tændt Popyrin bragte sig foran 3-2 i fjerde sæt, et servegennembrud sikret med en stærk forhånd og ledsaget af et isnende brøl, der rikochetterede rundt på det berømte Arthur Ashe Stadium.
Popyrin kom foran med et dobbelt break, før Djokovic klamrede sig fast og hentede et break.
Men Popyrin lod sig ikke slå ud, da han forseglede en berømt sejr for sig selv og potentielt markerede point of no return for Djokovic.
"Livet går videre," tilføjede serberen. "Jeg vil prøve at omstille mig og se, hvad det næste bliver. I morgen er en ny dag."