Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Den Hartlepool fighter, firar sin 21: a födelsedag, säkrade en 17-15 seger.
Hon sa till BBC Sport: "Jag var bara 12 år när jag gick in i en boxningsring, jag älskade den ända sedan dess och nu är jag världsmästare."
Tidigare var Nicola Adams tvungen att nöja sig med flugviktssilver efter att ha blivit utvisad 14-10 av Kinas Ren Cancan.
Detta var Savannah Marshalls andra på varandra följande världsfinal efter att ha tagit en silvermedalj som 18-åring på Barbados 2010.
Marshall, som hade kvalificerat sig för OS på fredag, knuffade 7-5 framåt på halvvägs stadium men var tvungen att hålla på genom en tuff tredje omgång när en utmärkt uppercut från Vystropova gav henne en blodig näsa.
Med Marshall fortfarande hålla sin två-punkts fördel på väg in i den sista omgången, Vystropova kom på stark igen men en snygg kombination i de döende sekunderna från Briton hjälpte kant henne till en historisk seger.
"Det har inte ens sjunkit i att jag ska till OS ännu. Det är galet, "tillade Marshall.
Leeds boxare Adams började långsamt i sin match mot Cancan, som hon också hade förlorat till Ren i 2010 års final i Bridgetown, och följde med två poäng efter den första omgången.
Även om Adams tyckte om att öka framgången med sin högra hand i de återstående tre rundorna, gjorde Ren konsekvent för att hålla sig framåt.
Den 29-årige var missnöjd med domarnas dom och sade till BBC Sport: "Jag tyckte poängen var lite fel, men det är boxning för dig. "
Jag tror att jag vann men fick inte beslutet."
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Yorkshire-kämpen siktar nu på hämnd vid sommarens OS i London, efter att ha säkrat sin plats i OS-truppen i Storbritannien genom att nå semifinalen i Qinhuangdao.
"Det här har inte skadat mitt självförtroende. Det har varit en stor upplevelse och jag har haft en fantastisk tid," tillade Adams.
"Jag kvalificerade mig för OS och det var det jag kom för att göra. I London, kommer det att vara på mitt eget område så poängen kommer att vara annorlunda då.
"Jag ska hämta guld. Jag ska bli lite bättre och ha lite mer teknisk förmåga."
Kvinnors boxning kommer att finnas på OS för första gången i London 2012.
Brittiska mellanviktaren Savannah Marshall vann guldmedaljen vid Women's World Boxing Championships i Kina, efter att ha besegrat Azebaijans Elena Vystropova i finalen i Qinhuangdao.