Sabalenka, der vandt titlen Wuhan i 2018 og 2019, forbedrede dermed sin sejrsrække i turneringen til 16-0 og skal møde på Zheng Qinwen eller Wang Xinyu i finalen.
Gauff, som var i gang med en sejrsstime på ni kampe efter sin titel i Beijing i sidste uge, spillede et perfekt første sæt, men begik hele 21 dobbeltfejl i løbet af en semifinale, der varede to timer og 26 minutter.
Sabalenka har nu vundet 19 af sine seneste 20 kampe, en række, der omfatter titler i Cincinnati og ved US Open.
"Atmosfæren var utrolig," sagde Sabalenka, som var nede med 2-4 i andet sæt.
"Det føltes helt sikkert som en af de største kampe i min karriere, fordi publikum fik det til at føles, som om det var en Grand Slam-finale."
Sabalenka kæmpede tidligt med serven og kunne ikke kontrollere sin forhånd, da Gauff brød Sabalenkas serv to gange og tog en føring på 5-0 inden for 19 minutter.
Amerikaneren tabte kun to point i sin førsteserv og begrænsede hviderusseren til kun to vindere i hele åbningssættet.
Hvis det første sæt var overhurtigt overstået, var det andet til gengæld et rent hundeslagsmål, hvor seks af de første otte partier gik imod serven.
Efter 78 minutters spil kom Sabalenka foran for første gang i kampen og bragte sig foran 5-4 mod Gauff, hvis serv svigtede hende, da hun havde allermest brug for den.
Da Gauffs antal af dobbeltfejl steg, udnyttede Sabalenka det fuldt ud og fremtvinge et sidste afgørende sæt.
I et maratonagtigt tredje parti med tre breakbolde vandt Sabalenka sit syvende parti i træk og bragte sig foran 3-0 i sidste sæt.
På trods af at Gauffsformåede at udligne til 4-4 holdt Sabalenka fast og vandt en flot sejr.