El francés de 38 años remontó 3-6, 7-5, 7-6 y 6-4 para alcanzar la cuarta ronda por sexta vez en su 19º Abierto de Australia. Es el segundo hombre de más edad que alcanza los octavos de final en Melbourne Park después de Roger Federer.
Fritz se encontraba en un gran momento de forma antes de enfrentarse a Monfils, cediendo sólo ocho juegos en sus dos partidos anteriores.
Pero el francés, que no era cabeza de serie, fue otro, implacable con sus precisos golpes de fondo y su potente saque para desgastar al número cuatro del mundo.
Monfils, 41 del ránking, lanzó una advertencia antes del torneo cuando ganó el Auckland Classic para convertirse en el campeón individual más veterano de la historia del ATP Tour.
"La estrategia era mantener la línea de fondo y cambiar definitivamente el ritmo. Pegué grandes tiros en la línea y usé mi derecha con algo de forma y mi revés con algo de slice, y serví bien", dijo.
"Creo firmemente en mí mismo, creo firmemente que aún puedo hacer daño y con un poco de suerte estamos en la segunda semana del Abierto de Australia".
Se enfrentará a otro estadounidense, Ben Shelton, o al italiano Lorenzo Musetti por un puesto en cuartos de final.
Los dos tenistas se enfrentaron al principio con grandes peloteos desde la línea de fondo, uno de 29 golpes y otro de 24. Una doble falta de Monfils dio el pase a la final.
Una doble falta de Monfils dio a Fritz un break para el 5-3, y el estadounidense mantuvo el saque para asegurarse el primer set.
La batalla en la línea de fondo continuó en el siguiente set, en el que ninguno de los dos jugadores fue capaz de abrir una brecha hasta que Fritz sacó para igualar a 5-5. Perdió la concentración y el saque de Fritz se rompió.
Fritz perdió la concentración y el astuto Monfils, que ganó un notable 95 por ciento de los puntos con el primer saque, cometió una serie de errores y rompió el saque para llevarse el set.
Fritz necesitó un tiempo médico en el cambio para recibir tratamiento en su pie derecho, y luego salvó dos puntos de ruptura para mantener el servicio en 3-3.
El tercer set se fue al tie-break, donde el francés destrozó a un Fritz cada vez más frustrado, con un 6-0 a su favor y una serie de golpes potentes.
Monfils tuvo que emplearse a fondo para ganar un cuarto juego de 18 puntos en el cuarto set, salvando dos puntos de ruptura, y luego se abalanzó sobre el saque de Fritz para romper por 5-4 antes de completar la sorpresa.