Récent demi-finaliste à Wimbledon, Musetti affrontera dans le dernier carré le vainqueur du quart de finale en soirée entre le Serbe Novak Djokovic et le Grec Stefanos Tsitsipas.
Trois ans après son sacre olympique à Tokyo, où il avait dominé en finale le Russe Karen Khachanov, Zverev ne goûtera pas à nouveau à une médaille.
Il s'était incliné en finale de Roland-Garros en juin dernier face à l'Espagnol Carlos Alcaraz, qui s'est pour sa part qualifié dans le dernier carré des JO aux dépens de l'Américain Tommy Paul (6-3, 7-6).
L'élimination de Zverev est la deuxième surprise de la journée sur la terre battue parisienne après celle de la numéro un mondiale polonaise Iga Swiatek en demi-finale du tournoi féminin.
La grande favorite a été dominée en deux sets (6-2, 7-5) par la Chinoise Zheng Qinwen (7e mondiale), assurée d'apporter à son pays la première médaille olympique de son histoire en simple.