– Det var galet. Det är ett av de mest smärtsamma lopp jag har gjort, säger fransmannen i stadionintervjun direkt efter loppet.
Marchand putsade Phelps rekord från OS i Peking 2008 med 1,3 sekunder till 4.02,50.
Phelps var på plats som expertkommentator för amerikansk tv och delade ut guldet till fransmannen som tränas av Bob Bowman, Phelps gamle tränare.
Det slogs ytterligare världsrekord under första VM-dagen.
Ariarne Titmus, Australien, gjorde det i stjärnmötet på 400 meter fritt.
Titmus tog tillbaka världsrekordet från 16-åriga kanadensiska underbarnet Summer McIntosh som fick ha det i fyra månader. Titmus putsade rekordet med sju tiondelar till 3.55,38.
McIntosh slutade först på fjärde plats och missade medalj.
Amerikanska storstjärnan Katie Ledecky, som vunnit fyra VM-guld på distansen, tog silver och var slagen med hela 3,35 sekunder. Ledecky hade världsrekordet innan Titmus tog det första gången 2022.
Ariarne Titmus tog sitt andra raka VM-guld och var bäst även i OS i Tokyo då hon besegrade Ledecky.
Första dagens tredje världsrekord slogs sedan av Australiens damer i lagkappen 4x100 meter fritt. Med 3.27,96 krossade laget sitt gamla rekord med 1,73 sekunder.