Justin Thomas gick in i söndagens spel i ensam ledning med hela sex slag ner till närmsta konkurrent.
Men Thomas, som under lördagens satte nytt banrekord på Medinah No.3, fick inte en helt odramatisk avslutningsrond. Ledningen krympte från sex hela vägen ner till två slag på bara tre hål.
Den 26-årige amerikanen hittade dock tillbaka snabbt och med birdies på både hål 11 och 13 hade han återigen motståndarna på behagligt avstånd.
När Thomas avslutade genom att rulla i en birdie på det 18:e hålet skrevs dagens score till 68 slag, fyra under par.
Thomas birdie på hål 18:
Sammanlagt gick Thomas -25, sju slag mindre än Tiger Woods segerscore från PGA Championship 2006.
Segermarginalen ned till Patrik Cantlay på andraplatsen blev till sist tre slag.
– Jag var riktigt nervös i dag. Det är svårt att vara i ledning, man vet inte hur ofta ett sånt här läge kommer. Det känns fantastiskt att jag lyckades vinna, säger Thomas till PGA Tour.
Segern är Thomas första sedan han tog hem WGC-Bridgestone Invitational förra året.
I och med segern klättrade Thomas till första plats i FedExCup-rankingen vilket innebär att han kommer att få starta Tour Championship i nästa vecka på -10.
Resultatlistan:
