Italiens hemmafavorit stod för ett felfritt och suggestivt åk i kortprogrammet och tog överraskande ledningen, före 15-åriga EM- och OS-mästarinnan Alina Zagitova.
31-åriga Kostner, som blev femma i OS för några veckor sedan, visade både teknisk skicklighet och mognad i uttrycket. För ovanligheterns skull var hennes tekniska poäng högre än de för presentationen och hon slutade på personbästat 80,27.
– Målet i dag var att åka rent och lämna resten till domarna, säger hon enligt AP.
Publiken i Milano var knäpptyst och brast sedan ut i stort jubel när musiken tonade ut.
– Jag känner tillgivenheten och passionen från dem som delar min passion för denna sport. Det är en stor ära och ett stort stöd, säger Kostner.
15-åriga Zagitova har i årets två första mästerskap inte visat några nerver och heller inga misstag, men i VM visade Zagitova att hon är mänsklig. Ett litet fel på en trippelkombination kostade poäng och hon slutade på 79,51, långt under hennes världsrekordpoäng från OS som är 82,92.
Svenskan Anita Östlund föll två gånger och missar fredagens final.