O'Callaghan raderade förre italienska storstjärnan Federica Pellegrinis superdräktsrekord från 2009.
Med en makalös spurt satte hon handen i kaklet efter 1.52,85 – världsrekord med 13 hundradelar.
– Jag kom in till VM med en skada och att slå världsrekord är helt fantastiskt, säger hon i arenaintervjun med tårarna rinnande.
O'Callaghan har dragits med en knäskada och det var länge oklart om hon skulle kunna simma i Fukuoka.
Makalös spurt
Lagkamraten Ariarne Titmus, som slog världsrekord på 400 meter fritt i söndags, ledde från start och upp till 375 meter och såg ut att slå ännu ett världsrekord.
Men Mollie O'Callaghan raketspurtade och vann med 16 hundradelar.
– Jag såg de andra tjejerna vid vändningen och visste att jag var tvungen att pusha. Det spelade ingen roll hur hårt och om jag skulle ta slut, jag gav allt, säger hon.
Kanadensiska underbarnet Summer McIntosh tog bronset och slog sitt eget juniorvärldsrekord, 1.53,65.
Det var det fjärde världsrekordet hittills i VM.
Tunisisk revansch
På 800 meter fritt vann Ahmed Hafnaoui ett tajt och högklassigt lopp på 7.37,00, 76 hundradelar före Sam Short, Australien.
Hafnaoui tog därmed revansch på Short som vann guldet på halva distansen tidigare i veckan före just tunisiern.
Ahmed Hafnaoui kom från ingenstans och skrällvann 400 meter fritt på OS i Tokyo. Nu tog han sin andra VM-medalj i Fukuoka.
Leon Marchand, Frankrike, tog sitt andra guld då han vann 200 meter fjäril på 1.52,43. Marchand slog tidigare i veckan Michael Phelps världsrekord på 400 meter medley från 2008, det äldsta inom herrsimningen.