Kyrgios körde över den topp-seedade Nadal med 6-2,7-5 och det hela var över på en timme och tjugo minuter.
– Det är alltid tufft att möta Nick, han är en bra spelare, men jag spelade uselt, sa Nadal till nyhetsbyrån Reuters efter matchen.
–Han gjorde några misstag i andra set och jag lyckades komma in i matchen. Sedan spelade jag ett uselt game och så var matchen över, konstaterade Nadal.
David Ferrar väntar härnäst
Tidigare under dagen hade Kyrgios varit tvungen att spela klart åttondelsfinalen mot Ivo Karlovic som avbrutits på grund av regn dagen innan. Dubbla matcher var dock inget som påverkade australiern som vann över Karlovic med 4-6, 7-6, 6-3.
22-årige Kyrgios som är känd för sitt hetsiga temperament servade stabilt hela matchen. Endast en gång under matchen förlorade han sitt lugn och skickade sitt racket i marken efter att ha förlorat två raka poäng i egen serve.
I semifinal väntar nu spanjoren David Ferrer.
Nadal ny världsetta
Efter att Roger Federer drog sig ur ATP-turneringen i Cincinnati på grund av en skada, stod det redan då klart att Rafael Nadal övertar skadade Andy Murrays plats som världsetta.