Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Den Plymouth-baserade 16-årige klockade en minut 04.30 sekunder i Barcelona, 0,15 sekunder snabbare än den tidigare bästa tiden som Jessica Hardy satt 2009.
Tidigare hade Meilutyte spelat in 1:04.52 i kvalificering, den näst snabbaste tiden i historien och ett nytt europeiskt rekord.
I 200m individuell medley final, Sophie Allen var sjunde och kollega Briton Siobhan-Marie O'Connor åttonde.
London 2012 OS-mästare Meilutyte kommer att försöka vinna Litauens första VM-guld i tisdags final.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
"Jag kommer att ha en avkopplande dag i morgon och kommer att spara all min energi till finalen", sade hon.
"Mitt största mål är uppnått nu och jag ska göra mitt bästa i finalen. Det är uppenbart att en guldmedalj skulle vara ett körsbär ovanpå glassen."
Hennes tränare Jon Rudd sa: "Det känns lite surrealistiskt, men nu minns jag känslan av den olympiska guldmedaljen eftersom den är ungefär densamma.
"Planen var att satsa på världsrekordet ikväll eftersom vi inte vill behöva oroa oss för tider i morgon - bara medaljen.
"Yuliya Efimova kommer att knuffa henne så hon måste vara på tårna i morgon, men jag tror att det finns mer att komma."
Briton O'Connor nådde bara 200m individuell medley final efter Australian Emily Seebohm drog ut för att koncentrera sig på hennes föredragna 100m backstroke händelse, men 17-åringen befann sig på andra plats på halvvägs stadium.
Men hon bleknade i andra halvan för att avsluta åttonde i ett lopp som vanns av Ungerns Katinka Hosszu. Olympiska mästare Ye Shiwen överraskande bara lyckades komma fjärde.
"Jag behöver bara lära mig att simma bättre", sa O'Connor. "Jag fortsätter att göra det - går ut för fort - och jag tror definitivt att jag blev lite upphetsad över att det är en final."
Conpatriot Allen, 21, tillade: "Jag är besviken att jag inte kunde göra ett personligt bästa som jag gjorde i semifinalen."
"Det är fantastiskt, det är så roligt och otroligt att se ungdomen som denna sport har och att den kommer att fortsätta att ha. Det är så häftigt att vara en del av det och vara en del av hela den här upplevelsen när det händer."
OS-mästare Missy Franklin, 18 år, om tonårsframgångar
"Om jag hade gjort den tiden igen [2:10.23], skulle jag ha varit på fjärde plats men förhoppningsvis som det är min första stora internationella final jag kommer att bli bättre i framtiden."
Scottish Commonwealth mästare Robbie Renwick kvalificerade med den fjärde snabbaste tiden av 1:46.95 på väg in i finalen av 200m freestyle händelse på tisdag och hoppas att vinna Storbritanniens första medalj av mästerskapen.
"Jag har en bra körfält för imorgon kväll och det kommer att vara någons lopp så jag måste få mig själv i en bra position och verkligen försöka gå för en medalj," sade 25-åringen, som kommer att möta amerikanska stjärnan Ryan Lochte i finalen.
Chris Walker-Hebborn, 23, och Lauren Quigley, 20, båda missade ut på platser i sina respektive 100m backstroke final, men varje återvänder för att tävla över 200m senare i veckan.
I kvällens andra finaler, Australiens Christian Sprenger hävdade 100m bröstsim guld med Sydafrikas Cameron Van Der Burgh andra och Felipe Lima av Brasilien tredje.
Segern gick till Sarah Sjostrom av Sverige i 100m fjärilen framför Australiens Alicia Coutts och USA:s olympiska mästare Dana Vollmer.
Brasiliansk Cesar Cielo vann 50m fjärilsfinalen.
Det fanns frustration för Storbritanniens Ben Stolt, som inte nådde finalen, men skulle ha krävt brons med den brittiska rekordet 23.10 han satte vid förra månadens rättegångar.
Litauens Ruta Meilutyte slog världsrekordet på 100m bröstsim i semifinalen i VM.