Die Einsätze hätten nicht klarer sein können, als der Sieger direkt in die Ko-Runde vorrückte, nachdem beide Männer gegen Dominic Thiem verloren und Andrey Rublev in ihren vorherigen Round-Robin-Spielen besiegt hatten.
Nadal, der das Turnier zum Saisonende noch nie gewonnen hat, war einfach zu stark für seinen 22-jährigen Gegner, der sich um die Verteidigung der letztjährigen Krone bewarb.
Es sah so aus, als ob der Spanier auf dem Weg zu einem komfortablen Sieg in geraden Sätzen war, aber Tsitsipas verdient Anerkennung dafür, dass er das Match über die Distanz geschafft hat.
"Es ist immer schwierig, hier jeden Tag gegen die besten Spieler der Welt zu spielen. Am Ende der Saison, wenn man hier ankommt, ist man ein bisschen müde", sagte Nadal nach dem Spiel. "Ich freue mich nur darauf, im Halbfinale zu stehen, und ich hoffe, bereit zu sein, mein Bestes zu geben."
Eine einzige Aufschlagpause genügte dem Spanier, um den ersten Satz zu holen, und er hielt den Druck zu Beginn des zweiten Satzes aufrecht.
Doch gerade als es so aussah, als würde der 34-Jährige zum Sieg fahren, erhöhte sein griechischer Gegner sein Spiel aus dem Nichts, um Nadals Aufschlag zu brechen und einen entscheidenden Satz zu erzwingen.
Das hohe Tennisniveau schien im dritten Satz abzunehmen, der mit drei aufeinander folgenden Servicepausen begann.
Es gab dem 20-fachen Grand-Slam-Champion einen unangreifbaren Vorteil und er brach den Aufschlag auf dem Weg zum Sieg erneut.
"Ich denke, ich habe so lange ziemlich gut gespielt. Das Spiel mit 5: 4 im zweiten Satz hat mich ein wenig beeinflusst", sagte Nadal.
"Ich habe meine Aufschläge bis zu diesem Moment ganz bequem gewonnen, danach hat sich alles ein wenig geändert und ich habe angefangen, schlechter zu dienen", sagte Nadal. "Im Allgemeinen war es ein positives Spiel für mich. Das Halbfinale im letzten Turnier des Jahres zu erreichen, ist eine wichtige Sache."
Nadal hat das ATP-Finale noch nie gewonnen, ist aber nur noch zwei Siege von der Gewinnung des Preises entfernt. Im Halbfinale steht er jedoch vor einem harten Spiel gegen Daniil Medwedew.
Der Russe ist beim Turnier in beeindruckender Form und schlägt am Mittwoch die Nummer 1 der Welt, Novak Djokovic, in geraden Sätzen.
Djokovic spielt am Freitag gegen Alexander Zverev, der Sieger trifft im anderen Halbfinale auf Thiem.
Das ATP-Finale wird zum letzten Mal in der O2 Arena in London ausgetragen, bevor es 2021 nach Turin zieht.
Die Fans haben jedoch keine Chance, sich von der Bühne zu verabschieden, auf der das Turnier seit 2009 stattfindet. Aufgrund der Pandemie werden die Spiele hinter verschlossenen Türen ausgetragen.