Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
I en felriktad display behövde 2012 års bronsmedaljör 102 poäng från sitt avslutande dyk för att nå finalen.
Men han lyckades bara 50,40 att avsluta på sista plats med 403,25 - väl kort av det personliga bästa av 571,85 han satte i fredagens första runda.
"Det är verkligen svårt att acceptera. Jag har jobbat så hårt, säger Daley, 22.
"Igår gjorde jag den högsta poängen någonsin i ett OS. Idag var det inte meningen. Det är vad dykning gör ibland.
"Jag är verkligen förkrossad eftersom jag känner att jag är i topp fysisk kondition och jag kunde ha vunnit."
British Diving performance regissör Alexei Evangeliov hade sagt Daley var "i bästa form och bästa form av sin karriär" före OS.
Daley, som vann bronsmedalj i 10 meters synkroniserade plattform med Dan Goodfellow, föreslog att han skulle tävla igen i Tokyo 2020.
"Jag är så nöjd med hur GB har gjort, så stolt över att vara en del av det och jag ville kunna stå på toppen av podiet, så det kommer att bli ytterligare fyra års hårt arbete," sade han.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Kinas Chen Aisen, 20, hävdade sitt andra guld av spelen genom att vinna finalen, som ägde rum senare på lördagen.
Chen, som också vann 10m synchro tillsammans Lin Yue, gjorde 585.30 poäng för att avsluta framför Mexikos tyska Sanchez (532.70) och försvara mästare David Boudia i USA (525.25).
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Prenumerera på BBC Sport nyhetsbrev för att få vårt tips på nyheter, funktioner och video skickas till din inkorg.
Storbritanniens Tom Daley sade att han var "hjärtad" efter en chock semi-slutlig eliminering i OS 10m plattform dykning tävling.