Bejlek, número 35 de la WTA, desarticuló a Sabalenka hasta imponerse por 7-6(7) y 6-4 tras casi dos horas de un duelo que concluyó en la medianoche del jueves.
Ante el asombro del público, la bielorrusa permitió que Bejlek, de 20 años, le remontara primero un 5-1 a favor en el tiebreak del primer set.
En el segundo parcial, Sabalenka dominaba 4-1 antes de que la promesa checa le quebrara dos veces el servicio para zanjar el triunfo con un último juego en blanco.
Esta derrota de Sabalenka, unida a otra eliminación en octavos del pasado WTA 1000 de Toronto, pone en riesgo su liderato del ranking femenino, que podría caer en manos de Elena Rybakina.
La kazaja avanzó el miércoles a los cuartos de Cincinnati, donde tratará de vengarse de la polaca Iga Swiatek por la derrota la semana pasada en la final de Toronto.
La caída de Sabalenka redobla las dudas sobre sus posibilidades de alcanzar una tercera corona consecutiva en el Abierto de Estados Unidos, último Grand Slam del año, que arranca el 30 de agosto en Nueva York.
Por ahora la bielorrusa no ha agregado este año ningún título de Grand Slam a los cuatro que posee en su palmarés.