北京时间9月12日，2020美网进入倒数第3个比赛日，2号种子蒂姆与3号种子梅德韦杰夫在男单半决赛中相遇，最终蒂姆6-2/7-6/7-6战胜梅德韦杰夫，生涯首次打进美网男单决赛，这也是他第4次晋级大满贯决赛。决赛中，蒂姆将与兹维列夫争夺冠军。
首盘比赛，双方从开局便短兵相接都想在前几局完成破发奠定优势，却都没能如愿。第3局，蒂姆用一记反手直线穿越拿到破发机会，梅德韦杰夫随即发球直得化解危机。第6局，梅德韦杰夫面对破发点时的一发疑似出界，蒂姆回球后俄罗斯人申请挑战鹰眼，但主裁没有允许。梅德韦杰夫上前同主裁与赛事监督沟通，但也能改变结果。梅德韦杰夫遭到破发，2-4落后。随后两局，梅德韦杰夫因此前争议球的影响连续出现失误。第8局，梅德韦杰夫再度遭遇破发，2-6输掉首盘。
第二盘比赛，梅德韦杰夫一改首盘战术策略，与蒂姆在底线展开对攻。蒂姆没能及时调整，不断送出主动失误，将自己首个发球局拱手相让。随后几局波澜不惊双方各自保发。凭借破发优势，梅德韦杰夫5-4进入自己的发球胜盘局。不服输的蒂姆在对手的发球胜盘局发起进攻，并拿到连续两个破发点。尽管梅德韦杰夫依靠发球挽救第一个破发点，但他随后正手回球下网，交出了自己的发球胜盘局，5-5平。第11局，双方展开殊死决斗，谁都不肯退让半步，最终蒂姆在挽救5个破发点后终于在第二个局点上完成保发，6-5领先。梅德韦杰夫随后保发，双方进入抢七争夺。抢七中，双方在交换一个发球分后战至7-7平，蒂姆随后抓住机会连拿两分，9-7赢下抢七，大比分2-0领先梅德韦杰夫。但蒂姆的右脚在抢七中拉伤，他在盘间申请了医疗暂停。
第三盘，受到伤病影响的蒂姆在底线移动受限，自己首个发球局便告失守。第5局，梅德韦杰夫在拿到局点的情况下连丢三分，遭遇破发点挑战，好在他及时调整完成保发，4-1领先。第6局，蒂姆挽救破发点后完成保发，2-4落后，随后几局双方各自保发。第9局，梅德韦杰夫在自己的发球胜盘局错失盘点，蒂姆逼出破发点后以一记前场正手制胜分完成破发，保发后奥地利人将比分追至5-5平。随后两局双方各自保，比赛再次进入抢七。抢七中，蒂姆开局便完成两次迷你破发4-0领先。尽管梅德韦杰夫随后挽救赛点，但蒂姆在第二个赛点上没有手软，7-5赢下抢七，大比分3-0战胜梅德韦杰夫，生涯首次打进美网男单决赛。
