Sharapova, 30 ans, a infligé une septième défaite en autant de confrontations à Halep qui espérait décrocher la première place mondiale lors de la quinzaine new-yorkaise.
L'ancienne N.1 mondiale a livré un match d'une intensité rare pour une rencontre du 1er tour avec 66 coups gagnants et 64 fautes directes en deux heures et 44 minutes de jeu.
La Russe, désormais 146e mondiale et bénéficiaire d'une invitation (wild-card) en sa qualité d'ancienne lauréate de l'épreuve (2006), n'était plus apparue dans un tournoi du Grand Chelem depuis l'Open d'Australie 2016.
Elle avait ensuite été suspendue pour quinze mois pour dopage au meldonium, un médicament inscrit sur la liste des substances prohibées le 1er janvier 2016.
Elle a fait son retour sur le circuit en avril dernier, mais n'a disputé que neuf matches en raison de blessures.
"Je savais ce que je voulais faire, mais gagner de cette manière contre la N.2 mondiale est un énorme motif de fierté", a expliqué Sharapova, en larmes à l'issue de la rencontre.
"Je veux juste savourer cette victoire et on verra ce qui se passe après", a ajouté Sharapova qui sera opposée au prochain tour à la Hongroise Timea Babos, 59e mondiale.
Avec AFP