Den 59-rankade svenskan slog ut Tereza Martincova i kvartsfinalen med siffrorna 6–7, 6–2, 4–1 och är därmed i sin andra semifinal i år, efter Båstadsturneringen i juli.
Martincova plågades av en skada i slutskedet av matchen och när Peterson servade in 4–1 i sista set tvingades tjeckiskan till slut bryta och tacka för sig.
I semifinalen ställs hon mot världssexan Elina Svitolina från Ukraina.
Petersons form i Chicago kan behövas när US Open drar igång i New York på måndag. Då ställs svenskan mot 16-rankade belgiskan Elise Mertens, som i singel två gånger nått kvartsfinal i Flushing Meadows.
Efter lottningen på torsdagen stod det även klart att världsettan och Wimbledonmästaren från i somras, Australiens Ashleigh Barty, ställs mot Vera Zvonarjova i första omgången. Den ryska veteranen var i US Open-final 2010 men har sedan dess bland annat gjort ett långt uppehåll och blivit mamma och är nu rankad 101:a i världen.
Största mötet i första omgången är annars Madison Keys mot Sloane Stephens – de två möttes i final så sent som 2017. De är nu två av 22 amerikanskor i damsingeln, som saknar tre av USA:s största stjärnor; systrarna Serena och Venus Williams samt Sofia Kenin.