De Oekraïner won de wedstrijd in Riyad, Saoedi-Arabië met 115-112, 113-114, 114-113 op de kaarten na een beslissende knockdown in de negende ronde.
Usyk is de eerste onbetwiste zwaargewicht kampioen sinds Lennox Lewis, die drie riemen verenigde tegen Evander Holyfield in 1999.
"Ik voel me goed. Veel mensen hebben voor me gebeden, ik hou van jullie," zei Usyk na afloop. "Ik ben erg blij. Mijn mensen zullen erg blij zijn denk ik, het is een grote overwinning, niet alleen voor mij, het is een grote overwinning voor mijn land, voor de soldaten die nu mijn land verdedigen."
Usyks overwinning, waarmee hij de WBC-riem van Fury toevoegt aan zijn WBA-, WBO- en IBF-verzameling, bezorgt zijn tegenstander ook de eerste nederlaag in zijn 16-jarige professionele carrière.
De 35-jarige Fury was echter van mening dat hij aan de verkeerde kant van de beslissing stond en riep meteen op tot een rematch in oktober.
"Ik geloof dat ik dat gevecht heb gewonnen. Ik geloof dat hij een paar rondes won, maar ik won er meer, " zei hij. "Vergis je niet, ik heb dat gevecht gewonnen en ik kom terug. We gaan terug naar onze families en we doen het weer in oktober."
"Ik ga hier niet zitten huilen en excuses maken."
Initiatief bij Usyk
Het verschil in grootte tussen de twee was meteen duidelijk toen ze elkaar in het midden ontmoetten en Usyk - lichtvoetig - enkele vroege testers van Fury onderging. Fury kwam snel naar buiten en bespeelde het publiek door zijn heupen heen en weer te bewegen terwijl hij in de hoek zat, maar Usyk was niet geïnteresseerd in entertainment.
Usyk begon ronde twee snel met een één-twee combinatie die Fury weglachte voordat hij zelf een aantal stevige schoten loste.
De schoten van Fury bleven snel komen toen hij een snee boven Usyks rechteroog maakte en Usyk in de hoek bleef beschimpen in de wetenschap dat hij voor lag.
Een nu zelfverzekerde Fury maakte een grote impact in de zesde na het landen van een zware uppercut en een paar grote stoten op het lichaam, waardoor Usyk zich terug moest trekken en moest resetten.
Het gevecht opende in ronde acht met beide vechters die hevig sloegen terwijl ze probeerden de controle van elkaar af te worstelen. Fury viel eerst aan voordat Usyk terugkwam en sneed in de neus en de linkerkant van het hoofd van zijn tegenstander.
Maar het momentum verschoof massaal in het voordeel van Usyk in een brute negende ronde waarin Fury door de ring werd gehavend. De scheidsrechter noemde een knockdown nadat hij over de touwen struikelde, maar werd gered door de bel en overleefde op de een of andere manier de ronde.
Usyk - wetend dat hij nu de controle had - behield zijn kalmte en mikte niet op een knock-out maar bleef schade toebrengen aan Fury, die steeds kwetsbaarder leek.
Beide mannen gooiden bommen in de laatste ronde, die eindigde met Fury die zijn hand opstak terwijl Usyk op zijn knieën viel in het midden voordat hij zijn team omhelsde voor de scorekaarten van de jury.