Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Den irländska kvinnan Taylor, som bjöd på att vinna en sjätte världstitel i rad, förlorade ett splittrat beslut mot Frankrikes Estelle Mossely i Kazakstan.
Taylor, 29 år, fick alla fyra omgångarna av en domare men de andra två domarna gav Mossely en tillbakaräkningsseger.
Bray boxaren tar brons men säkrar Rio Olympics kvalificering.
Taylors dominans av 60kg divisionen bucklades förra månaden av en enhällig poäng nederlag av Azerbajdzjans Yana Alekseevna vid OS kvalturneringen i Turkiet.
Den irländska boxaren hade inte förlorat en match vid världsmästerskapen sedan 2005 då hon besegrades av Nordkoreas Kang Kum-Hui i kvartsfinalen.
Domen verkade avgjort förvirrande under torsdagens tävling med Taylor med tanke på den tredje omgången på alla tre korten trots att den franska kvinnan verkade dominera omgången.
Taylor verkade då kant den sista omgången bara för två av domarna att fylligt för Mossely.
Som lämnade Taylor en 40-36 vinnare på ett av korten medan de två domare som markerade tävlingen 38-38 gav Mossely en quanback seger.
Den irländska kvinnan hade slagit Mossely i sina tre tidigare tävlingar.
Irish light-welterweight Kellie Harrington är klar till finalen av VM efter en eftertrycklig semifinal seger över Kanadas Sara Cali i Kazakstan.
Dublin fighter garanteras åtminstone en silvermedalj före fredagens final mot Kinas Wenlu Yang i icke-Olympisk vikt.
London 2012 guldmedaljör Katie Taylor drabbades av ett andra nederlag på sex veckor som hon blev slagen i VM lätt halvfinal.