Serben var en av förhandsfavoriterna till att ta hem grand slam-turneringen som han har vunnit fyra gånger. Senaste gången var i fjol och han skulle nu försöka bli den förste herrspelaren sedan 2008 att försvara sin titel i New York, men så blir det inte nu.
Tidigare i augusti vann Djokovic OS-tennisen i Paris, vilket har påverkat honom både fysiskt och psykiskt, medgav han efter matchen mot Popyrin.
– Självklart spelar det in, säger Djokovic.
Popyrin är rankad 28:a i världen och har fått ett litet genombrott den senaste månaden i och med segern i storturneringen i Montreal. Han ställs i nästa match mot hemmahoppet Frances Tiafoe, som vann en hård femsetare mot landsmannen Ben Shelton i den tredje omgången.
Djokovics sorti följer kort inpå att en annan av de stora stjärnorna, Carlos Alcaraz, fått lämna turneringen efter att oväntat ha förlorat mot nederländaren Botic van de Zandschulp. Spanjoren vann US Open 2022.
Däremot är Alexander Zverev vidare efter drygt tre och en halv timme lång nattmatch mot Tomas Martin Etcheverry. Argentinaren tog första set och hade ledningen i det andra innan den tyske världsfyran lyckades vända matchen med segersiffrorna 5–7, 7–5, 6–1, 6–3.
I damsingelturneringen är världstvåan Aryna Sabalenka klar för fjärde omgången efter att ha vänt 0–1-underläge i set till seger 2–6, 6–1, 6–2 mot Jekaterina Alexandrova, Ryssland.