Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Leicesters Selby, tvåa 2007, var 10-5 efter men vann 10 av de följande 12 ramar för en 15-12 ledning.
Fem-tidens mästare O'Sullivan, som aldrig hade förlorat en världsfinal, minskade underskottet till 15-14, bara för Selby att vinna nästa tre ramar.
Ålder: 30
Namn: Jestern från Leicester
Vändt pro: 1999
Ranking titlar: World Championship 2014, UK Championship 2012, Shanghai Masters 2011, Welsh Open 2008
Icke-rankade titlar: Masters 2008, 2010, 2013
Hans seger innebär att han återvänder till toppen av världen ranking och lämnar O'Sullivan två bakom Stephen Hendry rekordtal av sju världstitlar.
Selby överlämnade sin seger åt sin framlidne far, som dog när han var 16.
"Att slå Ronnie i finalen för att vinna min första världstitel är en dröm som besannas", tillade han:
O'Sullivan sa: "Jag försökte, men han var för bra."
Selby, 30, är 300.000 pund rikare för sin Crucible triumf och är den nionde spelaren att vinna Triple Crown, efter att ha vunnit tre Masters titlar och en UK Championship.
Selby såg jaded på söndagen efter sin episka semifinal mot Neil Robertson men lyckades vinna de sista två ramarna för att stanna inom tre av O'Sullivan, som avslutade sitt sista fyra möte mot Barry Hawkins med en session att undvara.
Han vann sedan fem av de sex ramar i måndagens öppningssession för att dra sin rival in i obekanta territorium, O'Sullivan har aldrig tidigare gått på väg in i den sista sessionen av en Crucible final.
Selby gjorde avbrott på 55, 52 och 74 - hans högsta av matchen hittills - att nivå tävlingen på 10-10 innan vinna en spänd 21: a ram för att leda för första gången.
O'Sullivan återtog ledningen efter mitten av sessionen intervall, vinna en fel-strewn ram tack vare en körning på 50, men missade en enkel rosa i mitten ficka för att klinka ramen efter att ha beslutat att spela den med tempo.
Selby klarnade ordentligt innan han slog i luften och rammade in sin signal i marken i en blandning av relief och upprymdhet.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Åtta ramar planerades för sessionen men det var ett mått på handlingens attrionella karaktär som de bara kunde passa in sex i innan intervallet.
O'Sullivan vann den första ramen av kvällen session med en flytande paus på 100, hans tredje århundradet av matchen, till nivå 12-12, men Selby vann en 28-minuters ram för att återställa sin fördel innan öppna upp en två-ram bly för första gången.
Selby sammanställde en paus på 56 för att öka sin ledning till tre ramar innan mitten av sessionen intervall, hans körning ta 10 av de sista 12 ramar.
O'Sullivan började bra efter omstart, skramlande i raster på 30 och 49 för att minska gapet till två ramar. Han hällde sedan en magnifik gul ner kudden innan han rensade upp resten av bollarna för att göra det 15-14.
Men Selby reagerade briljant och knackade i ett genombrott på 127, hans första århundrade av matchen, innan en körning på 87 att röra sig inom en ram av seger.
O'Sullivan hade chanser i nästa ram men Selby kastade sig över att slutföra en nervslingling efter att hans motståndare missade den sista röda.
Mark Selby iscensatte en anmärkningsvärd comeback för att slå försvarare Ronnie O'Sullivan 18-14 i finalen av VM i Sheffield.