Federer a bénéficié de l'abandon en demies de David Goffin alors que le score était de 7-6 (7/3), 1-1 en faveur du Suisse.
Septuple vainqueur sur le ciment de l'Ohio, l'Helvète de 37 ans a l'occasion d'ajouter un huitième trophée à sa collection et de décrocher un 99e titre en carrière.
Le N. 2 mondial a passé un peu plus d'une heure sur le court central avant que son adversaire belge, blessé à l'épaule, ne renonce.
"Mon niveau de jeu n'est pas mal même si j'ai eu plein de problèmes au début du match", a jugé Federer, qui avait disputé deux matchs la veille face à Leonardo Mayer et Stan Wawrinka.
"Je ne sais pas si c'est à cause du trop plein de tennis d'hier, mais j'ai eu du mal à trouver mon rythme. Pour finir, ça a été et je suis soulagé et content, même si ce n'était pas la fin qu'on espérait tous les deux."
Le vétéran suisse retrouvera en finale Djokovic, qu'il n'a plus affronté depuis deux ans et demi.
"C'est comme si on se jouait pour la première fois tout en se connaissant très bien", a résumé le joueur aux 20 titres du Grand Chelem.
Difficile vainqueur du Croate Marin Cilic samedi en demies, Djokovic peut, lui, remporter à Cincinnati le seul Masters 1000 qui manque à son immense palmarès, devenant le premier joueur de l'ère Open à accomplir une telle performance.
"J'espère que je vais y arriver cette fois-ci", a déclaré Djokovic, qui a déjà disputé cinq finales, toutes perdues, dans l'Ohio.
Pour en atteindre une sixième, l'ancien N.1 mondial serbe a dû batailler ferme face au Croate Marin Cilic, vainqueur du tournoi en 2016, dont il a pris la mesure en trois sets 6-4, 3-6, 6-3 et plus de 2h30 min.
Le récent vainqueur de Wimbledon s'est ouvert le chemin de la victoire grâce à un break tardif à 4-3 dans la dernière manche avant de conclure sur son service.
"C'était dur, et je suis ravi d'atteindre une nouvelle finale ici", a déclaré Djokovic.
"La semaine a été difficile à cause des interruptions par la pluie et de tout ce qui s'est passé. J'ai été mené dans mes trois derniers matchs, mais je suis revenu", a ajouté le Serbe, dont les quatre dernières rencontres se sont terminées en trois sets.
Dans le tableau féminin, la N.1 mondiale Simona Halep a atteint sa troisième finale à Cincinnati après avoir mis fin au beau parcours de la jeune Bélarusse Aryna Sabalenka (6-3, 6-4).
La Roumaine, victorieuse à Toronto la semaine dernière, espère s'imposer à Cincinnati après des échecs face à Serena Williams en 2015 et à Garbine Muguruza en 2017.
"Si je me bats comme je l'ai fait depuis le début du tournoi, j'aurai de grandes chances", a prévenu Halep.
"Ce sera un défi de jouer une autre finale ici et d'essayer de la gagner."
Halep sera opposée à la 17e mondiale néerlandaise Kiki Bertens, qui a renversé Petra Kvitova en trois sets 3-6, 6-4, 6-2 sous une chaleur accablante.
"Je me sens très bien", s'est réjouie Bertens, qui disputera sa troisième finale de la saison.
"C'était un match difficile, mais je suis vraiment heureuse d'être en finale."
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