Konta, som vann 21 av sina tidigare 22 matcher och slog värld nummer två Simona Halep på onsdag, tjänade för en plats i de sista fyra i den beslutande.
Men amerikanska Williams, 35, vann fyra matcher på traven för att sätta upp en semifinal mot Roberta Vinci.
Kontas blankett kommer att se 24-åringen ta över som brittisk nummer ett.
Hon började året 150 i världen men är nu 66:e och kommer nästa vecka att passera landsman Heather Watson i rankingen.
Williams, den nuvarande världsnumret 24, har vunnit sju Grand Slams sedan han blev professionell i oktober 1994.
"Jag gick till domstol för att vinna och för att göra mitt bästa", sade Konta. "Jag gav allt. Det räckte inte.
"Jag förlorade till en ganska otrolig mästare. Hon spelade en otrolig match. Jag känner mig bara mycket lyckligt lottad att jag fick dela rätten med henne."
Konta fick Williams att arbeta hårt för segern, att bli den första personen att ta en start av henne på Wuhan Open efter att ha förlorat den första.
Hon ledde sedan 5-3 i den sista uppsättningen och tittade på kursen för att spela in en annan upprörd på turneringen.
Men Williams drog på alla sina erfarenheter för att mala ut segern, kommer ut på toppen i en hisnande finalspel som såg publiken applådera halvvägs genom en särskilt imponerande rally.
"Johanna spelade så bra. Hon har haft en underbar sommar, säger Williams.
"Det verkade som om jag var klar men jag kände energin från publiken."
Storbritanniens Johanna Konta blev slagen 6-4 3-6 7-5 av före detta värld nummer ett Venus Williams i kvartsfinalen av Wuhan Open.