Nadal, som har vunnit 20 grand slam-turneringar och tagit hem ytterligare 66 ATP-titlar, har hittills aldrig fått till det i ATP-slutspelet. Världstvåan har bara gått till final två gånger och aldrig vunnit tävlingen.
Efter 6–4, 4–6, 6–2 mot grekiske Tsitsipas lever chansen till en ny titel fortfarande.
– Det är alltid att svårt att möta de bästa spelarna i världen varje dag så här i slutet av säsongen och för det mesta är man ganska trött när man kommer hit. Men i år är det annorlunda, säger Nadal, som bara spelat en turnering sedan segern i Franska mästerskapen för en dryg månad sedan och totalt sex tävlingar i år.
I semifinalen i London väntar nu ryske världsfyran Daniil Medvedev.
Nadal slutade tvåa i sin grupp, som vanns av världstrean Dominic Thiem. Österrikaren får vänta till fredagen innan hans motståndare blir klar – under eftermiddagen möts Novak Djokovic och Alexander Zverev i en direkt avgörande match om vem som blir tvåa i den gruppen.