Det började bra för spanjoren som tog gick upp till 2-0 i set efter seger 6-3 och 6-4 men sen var det slut på det roliga på Flushing Meadows.
Den 28-årige grusspecialisten Fabio Fognini, rankad 32 i världen och med sju raka förluster på hard court, hämtade upp underläget och tog sedan hem femte och avgörande set med 6-4 och slog ut världsåttan Nadal efter tre timmar och 46 minuters spel.
– Jag kan inte beskriva hur lycklig jag är. Det var väldigt tufft, att lyckas vinna mot Rafa när man ligger under med två set. Det var en otrolig match, säger Fognini till arrangören.
Första gången på tio år
Nadal är därmed ute ur US Open, redan i den tredje omgången och den tunga säsongen bara fortsätter. Förlusten var första gången i Nadals karriär som han tappat ledning 2-0 i set till förlust i Grand Slam-sammanhang på totalt 151 matcher.
Förlusten innebär också att den här säsongen blir den första sedan 2005 som Nadal inte vinner en Grand Slam-titel.
– Det enda det här betyder är att jag har spelat sämre än jag gjort de senaste tio åren. För mig har det varit fantastiskt att vinna Grand Slam tio år i rad. Ni kan föreställa er hur svårt det är att göra det. Jag måste bara acceptera att det här inte var mitt år och att jag måste kämpa ända tills slutet av säsongen, säger Nadal.