De als zesde geplaatste Pegula uit de Verenigde Staten vocht terug na een set en een break achterstand en boekte een 1-6, 6-4, 6-2 overwinning op haar Tsjechische tegenstander, de nummer 52 van de wereld.
"Ik dacht dat ik mazzel had dat ik nog in de wedstrijd zat," gaf Pegula toe.
"Ze liet me eruitzien als een beginner, ze maakte me kapot en ik stond op het punt in tranen uit te barsten, maar uiteindelijk draaide alles om kleine momenten. Ik weet niet hoe ik het heb omgedraaid."
Pegula heeft nu 15 van de 16 wedstrijden gewonnen tijdens de Amerikaanse zomer op hardcourt. Ze won een titel in Toronto en leed een nederlaag in de finale van Cincinnati tegen Sabalenka.
"Het is een kans op revanche, maar ze zal moeilijk te verslaan zijn," zei Pegula.
Onwaarschijnlijke comeback
Pegula, die haar eerste halve finale op een grandslam speelde na zes keer in de kwartfinale te zijn gestrand, leek op een gegeven moment er helemaal doorheen te zitten donderdag.
De 30-jarige verloor de eerste set in slechts 28 minuten en stond al snel 2-0 achter in de tweede set. Ze moest een breakpunt redden om te voorkomen dat ze met 3-0 achter zou komen.
Dat was het moment waarop veel toeschouwers het Arthur Ashe Stadium verlieten, niet bereid om een tweede snelle nederlaag van een Amerikaanse te zien, nadat Emma Navarro eerder in de andere halve finale in anderhalf uur werd verslagen door Sabalenka.
Pegula groef diep en zette een ongelooflijke comeback. Het werd een enerverende halve finale, waarin ze acht van de laatste tien games won.
De 40ste unforced error van de wedstrijd van Muchova, die op weg naar de halve finale nog geen set had verloren dit toernooi, bezegelde haar lot.