Ben Carson tar en smal ledning in i en New York Times / CBS News undersökning, kasta New York affärsman som har lett flocken i nästan fyra månader.
Nyheten kommer strax före den tredje TV-debatten för republikanska utmanare.
De näst bästa kandidaterna är Marco Rubio, Jeb Bush och Carly Fiorina men de ligger långt efter.
Den konservative Carson, som har uttryckt extrema åsikter i en rad frågor, har 26 procent av republikanernas primära röstberättigade stöd, enligt telefonundersökningen med 575 väljare.
Hans ledning av 4% över Mr Trump är väl inom 6% felmarginal.
Florida Senator Mr Rubio har 8% stöd och resten noga följa efter honom.
Mr Trump har vänt sin eld till Mr Carson under de senaste dagarna, attackera honom som "låg energi" och ifrågasätta hans sjunde dag adventist tro.
De två sammanträder på scenen i Boulder i Colorado under den republikanska debatten på onsdag.
Huvudomröstningen inleds i februari i Iowa, där Carson också leder opinionsundersökningarna.
64-åringen kritiserades denna vecka för att ha jämfört abort med slaveri.
Den pensionerade läkaren har sagt att president Barack Obamas sjukvård reform var "det värsta" sedan slaveri och att den amerikanska regeringen agerar som Nazi Tyskland.
Han hävdade att homosexuellhet är ett val, muslimer är inte kvalificerade att söka det amerikanska ordförandeskapet, Förintelsen kunde ha förhindrats om förföljda européer ägde fler vapen och - för bara några dagar sedan - att den amerikanska regeringen borde avbryta finansieringen till universitet som har visat "extrema politiska fördomar".
Carsons kommentarer om abort har gett upphov till ännu en omgång av upprördhet från vänstern - en reaktion som han sannolikt kommer att bära som hedersmärke.
Läs Anthony Zurchers funktion i sin helhet
En pensionerad neurokirurg har knockat Donald Trump från toppen i den republikanska presidentkampanjen.