La native de Chicago, qui l'a emporté 7-5, 6-2, est surtout connue en double, dont elle est numéro un mondiale au classement WTA, avec quatre titres majeurs au compteur.
Solide sur son service, Townsend a pratiqué un tennis agressif, présente au retour et au filet, face à une Andreeva qui a subi le jeu pendant l'essentiel du match.
C'est un contrecoup pour la Russe à l'ascension météorique qui, à 18 ans, compte déjà deux titres en WTA 1000 et une demi-finale à Roland-Garros.
"Bon sang, ça fait du bien", a lancé Townsend à un public ravi.
Mercredi, son match du deuxième tour avait fait sensation après que la Lettone Jelena Ostapenko, qu'elle venait de battre, s'en est pris à elle, l'accusant de n'avoir "pas de classe" et "pas d'éducation".
Elle faisait référence à un échange lors duquel une balle de Townsend a touché le filet, sans que l'Américaine ne s'excuse ensuite, une entorse, selon elle, à l'étiquette du tennis.
La réaction d'Ostapenko a été critiquée sur les réseaux sociaux, certains la taxant même de racisme, car Townsend est Afro-Américaine.
"Je n'ai jamais été raciste de ma vie", s'est défendu la 26e joueuse mondiale. "Aujourd'hui, vous avez vu la vraie Taylor Townsend".
En huitième de finale, l'Américaine sera opposée à la Tchèque Barbora Krejcikova (62e).