Den schweiziska åttonde fröet spelade magnifikt i en 4-6 6-4 6-3 6-4 seger på Roland Garros.
Wawrinka, 30 år, gjorde slut på Djokovics 28-matchsvinnande strimma när han gjorde anspråk på sin andra Grand Slam-titel.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Djokovic hade hoppats bli den åttonde mannen att slutföra uppsättningen av alla fyra stora titlar.
Serberna får vänta minst 12 månader till innan de försöker matcha de stora titlarna från Andre Agassi, Don Budge, Roy Emerson, Roger Federer, Rod Laver, Rafael Nadal och Fred Perry.
28-åringen hade varit en stark favorit för att äntligen få tag på Coupe des Mousquetaires efter att ha slagit niofaldig mästare Rafael Nadal och tredje frö Andy Murray, men han spelades ut av Wawrinka.
"Det var en otrolig stämning på hovet och jag kände känslor som jag aldrig har haft tidigare", sade Wawrinka.
"Jag vill tacka min tränare Magnus Norman. Du spelade i finalen utan att vinna, men denna seger är din såväl som min."
Djokovic var effusive i sitt beröm för den nya mästare: "Det finns saker som är viktigare i livet än segrar och det är karaktär och respekt - Stan du är en stor mästare med stort hjärta."
Deras fyra senaste matcher i Grand Slams hade gått till fem uppsättningar och detta var lika bra när det gäller kvalitet, med Wawrinka slå 60 vinnare som hans aggression bröt ner det till synes oövervinneliga Djokovic försvar.
Segern gör honom bara den andra schweizaren att vinna på Roland Garros efter Roger Federer, mannen han slog i kvartsfinalen.
Efter att ha förlorat den första uppsättningen av finalen efter en dålig service spel på 3-3, Wawrinka kom stormande tillbaka med en spärreld av vinnare som lämnade Djokovic söker förlorat för ett svar.
Fyra brytpunkter kom och gick i den andra uppsättningen innan den femte anlände i form av en bestämd punkt, och Wawrinka slutligen konverteras till nivå matchen.
Det var bara ett tecken på saker att komma som åttonde fröet slet in i Djokovic tjäna i den tredje, och trots att se av tre brytpunkter för 1-1, det fanns lite topp fröet kunde göra fyra matcher senare.
En lysande förhandsvinnare följdes av en lika hisnande backhand för att tjäna tre brytpunkter, och den första konverterades när Wawrinka gick framåt och slog en kort boll.
Publiken på Court Philippe Chatrier vrålade när schweizarna slog en skandalös vinnare runt nätstolpen på väg till att säkra inspelningen.
Djokovic stod nu inför ett tredje franska öppna slut nederlag och han grävde in, dra nytta av en djungel i motsatt ände av domstolen för att skapa en 3-0 ledning i den fjärde.
Matchen var nu på Wawrinkas racket, dock, och han kom stormande tillbaka till nivå 3-3 efter några lysande försvar förtjänat honom pausen.
Djokovic kallade på allt han hade att hålla kontakten, att hitta två volleys - den andra en rungande ansträngning som påminner om hans tränare Boris Becker - att spara brytpunkter med poängnivån i uppsättningen.
Moment senare såg det ut som om Djokovic skulle tvinga den femte uppsättningen som hade verkat oundviklig när han flyttade 0-40 upp, men det fanns en annan briljans att komma från Wawrinka.
En volley, en backhand och en serve fick honom ur trubbel, och han red vågen av fem på varandra följande poäng i nästa match som två skrikande backhand passerar vid 4-4 gav honom chansen att tjäna ut för titeln.
Det var aldrig troligt att det skulle bli lätt och efter att ett möjligt ess hade övervunnits av umpiren på hans första matchpunkt, var schweizarna tvungna att möta en brytpunkt som Djokovic klängde sig fast vid sin karriär Slam hoppas.
Serberna kunde bara skicka en förhand bred under press, och gav en andra möjlighet att ta mästerskapet, Wawrinka styrde ett annat av dessa varumärke backhands ner linjen och höjde sina armar i triumf.
Stan Wawrinka bedövade Novak Djokovic för att vinna sin första franska öppna titel och omintetgöra världens främsta karriär Grand Slam hoppas.