Schweizeren stoppede Djokovic' sejrsstime, da han vandt opgøret i sæsonfinalen og er klar til semifinalen.
Roger Federer spillede sig tirsdag aften videre til semifinalen ved ATP Tour Finals, da schweizeren fik skovlen under verdensetteren Novak Djokovic.
Djokovic havde 23 sejre i træk inden mødet med Federer, men schweizeren vandt opgøret 7-5, 6-2 og fik dermed revanche for sine nederlag tidligere i sæsonen til Djokovic.
Federer tabte tidligere i år til Djokovic både i finalen ved Wimbledon og i US Open-finalen, men tirsdag kunne Djokovic ikke stoppe Federer i de to spilleres 43. indbyrdes møde for øjnene af 17.000 tilskuere i London.
Roger Federer har vundet sæsonfinalen seks gange tidligere, og han har deltaget uafbrudt i 14 år i træk.
Torsdag spiller Federer sin sidste gruppekamp mod Kei Nishikori, der tidligere tirsdag besejrede Tomas Berdych med 7-5, 3-6, 6-3. Dermed er Berdych ude af turneringen.
Federer har vundet sine to første kampe ved sæsonfinalen, og med to sejre er han sikker på at slutte blandt de to øverste i gruppen af fire spillere.
Derimod har Djokovic nu både en sejr og et nederlag, ligesom Nishikori har det.
Med tirsdagens sejr fører Federer nu 22-21 i indbyrdes opgør mod Novak Djokovic.
- Det var en speciel tennisaften i en fantastisk atmosfære. Jeg var tvunget til at spille godt og mikse mit spil for at slå Novak (Djokovic, red.). Det er det eneste, der er at gøre. Det er indendørs tennis, og aggressivt tennis lønner sig.
- Det er sådan, jeg skal spille mod Novak, og det var en fantastisk aften for mig, siger Roger Federer ifølge dpa.
Roger Federers sejr tog 80 minutter, og opgøret i London var de to spilleres syvende møde i denne sæson, hvor Novak Djokovic fører den statistik med fire sejre mod tre nederlag.