Theim möter Rafael Nadal i sin semi. I den andra ställs världsettan Andy Murray mot Stan Wawrinka.
Kvartsfinalförlusten är det tidigaste uttåget i Paris, för Djokovic, på sju år. I fjol vann världstvåan grand slam-turneringen för första gången, men i år tog det slut i kvartsfinal.
Dominic Thiems segersiffror skrevs till 7–6, (7–5), 6–3, 6–0.
- Han förtjänade att vinna, han var utan tvekan den bättre spelaren i dag. Han gjorde det svårt för mig, sade Novak Djokovic efter förlusten.
Största segern
För Dominic Thiem var det karriärens första seger mot Djokovic.
- Det här är stort för mig. Jag hade 0–5 i matcher mot honom. Att vinna mot honom för första gången i en kvartsfinal i en grand slam-turnering... det är en dröm, sade Dominic Thiem.
I semifinalen på fredag får österrikaren ta sig an en annan gigant på det franska gruset: Rafael Nadal.
Nadal fick en oväntat lätt väg till semifinal. Spanjoren, som jagar sin tionde titel i turneringen, ledde kvartsfinalen mot Pablo Carreño Busta med 6–2, 2–0, när landsmannen tvingades ge upp på grund av en magskada. Då hade de bara spelat i drygt 50 minuter.
Äldste på 32 år
När Stan Wawrinka var två och en halv månad 1985 tog sig den blivande 33-åringen Jimmy Connors till semifinal på gruset i Paris. När schweizaren på onsdagen slog ut kroaten Marin Cilic med 6–3, 6–3, 6–1 blev han som 32-åring den äldste semifinalisten sedan Connors.
Wawrinka vann Franska mästerskapen 2015 och det är tredje året i rad som han nått minst semifinal.
- Jag spelade bra, väldigt stadigt och tog till vara på mina chanser, sade Wawrinka efter åttonde raka segern mot kroaten.
I semifinalen får han möta skotten Andy Murray, som slog ut Wawrinka i semin förra året. Murray tappade första set mot japanen Kei Nishikori men vann det andra. Det tredje var jämnt och gick till tiebreak där Murray vann alla sju bollarna. I det fjärde var skotten fortsatt överlägsen och tog hem matchen med 2–6, 6–1, 7–6, 6–1.