Federer, de 28 años, que había disputado las últimas siete finales del torneo londinense y ganado seis veces el trofeo, estaba intentando igualar el récord histórico del estadounidense Pete Sampras.
Es la segunda vez que queda eliminado en cuartos de un torneo de Gran Slam tras haber conseguido una serie increíble de 23 victorias seguidas en semifinales, interrumpida este año en Roland-Garros por el sueco Robin Soderling.
El checo, número 13 mundial, llega por primera vez a sus 24 años a las semifinales de Wimbledon y por segunda vez consecutiva a las semifinales de un torneo de Gran Slam, tras el Abierto de Francia del mes pasado.
«Es difícil describir lo que siento ahora mismo, es fantástico ganar a un gran jugador en la cancha central», dijo Berdych tras la victoria.
«La semifinal en Roland-Garros me dio mucha confianza, voy a disfrutar del resultado durante los próximos minutos y las próximas horas antes de pensar en la semifinal», añadió.
Federer, ganador de 16 títulos de Gran Slam, multiplicó los errores en el fondo de la cancha y fue ineficaz en los puntos importantes, por lo que perdió siete bolas de break de ocho.
Berdych se enfrentará en el próximo partido al serbio Novak Djokovic.