Das Spiel dauerte fünf Stunden und 26 Minuten und endete damit, dass beide Männer sich bewegten, als wären sie schwer geblendet.
„Ich weiß nicht, wie ich hier stehe,“ sagte Arnaldi und fügte hinzu, dass er zuvor von einer Fußverletzung beeinträchtigt worden war.
Es war sein zweites aufeinanderfolgendes fünfstündiges Spiel nach seinem Fünf-Satz-Sieg über Raphael Collignon in der vorherigen Runde.
„Im dritten Satz war ich so müde,“ sagte er.
Als Tiafoe mit einem Doppelbreak im vierten Satz mit 4:1 in Führung ging, schien er sich im Spiel zu befinden, indem er Arnaldi mit schnellen Händen und unerwarteten Winkeln überrumpelte.
Stattdessen, als das eigene Fußwerk der Amerikaner langsamer wurde, gewann Arnaldi neun der nächsten 13 Spiele sowie ein Tie-Break, um im fünften Satz mit 4:2 in Führung zu gehen.
Dennoch kämpfte sich der 28-jährige Tiafoe zum 4:4 zurück.
Arnaldi ergriff die Initiative zurück, indem er das Aufschlagspiel brach.
Der Italiener verschwendete einen ersten Matchball mit einem Doppelfehler, aber trotz einigen mutigen Schlägen von Tiafoe nutzte er schließlich seine dritte Chance.
„Irgendwann war es kein Tennis mehr, es war etwas anderes,“ sagte Arnaldi. „Du hast einfach alles gegeben. Es musste einen Gewinner geben, und zum Glück war es ich.“
Arnaldi wird im Viertelfinale auf einen anderen ungesetzten Italiener, den erstarkten Matteo Berrettini, treffen.
Flavio Cobolli, der höchstgesetzte Italiener auf Platz 10 nach dem frühen Ausscheiden des Weltranglistenersten Jannik Sinner, wird im Viertelfinale gegen den viertgesetzten Felix Auger-Aliassime antreten.