Matchen pågick i en timme och 54 minuter och slutade med siffrorna 6-3, 4-6, 6-4. Keys, som vann trots att hon plågades av en lårskada, krossade därmed möjligheterna till en semifinal mellan systrarna Venus och Serena Williams.
– Det är fantastiskt, det är bara att njuta av ögonblicket, säger skrällen Keys efter matchen.
Williams hade problem med hosta, både under men kanske framförallt efter matchen.
– Jag måste hålla mina svar korta eftersom jag hostar hela tiden, säger hon och fortsätter.
– Jag har varit sjuk de senaste dagarna och det blir bara värre och värre men förhoppningsvis blir det bättre. Jag har hört att det är något virus som som går bland spelarna och jag tror att jag har drabbats.
Världsettan Serena Williams slog i sin kvartsfinal ut fjolårsfinalisten, slovakiskan Dominika Cibulkova, på mindre än en timme med siffrorna 6-2, 6-2.
I semifinalen får dock Serena Williams chans att ta revansch för sin syster, då hon möter Madison Keys.
Den andra semifinalen blir ett helryskt möte, mellan Maria Sjarapova och Jekaterina Makarova.