Matsuyama sköt en sex-under 66 i den sista omgången av WGC-HSBC Champions för att avsluta sju av Sveriges Henrik Stenson och amerikanska Daniel Berger.
Hans 29 fåglar på Sheshan International var tre under PGA Tour rekordet.
Slut på 23 under par, hans totala var också bara ett skott från 72-håls rekord på den kinesiska kursen.
Vinsten kommer att lyfta Matsuyama till en karriär-hög sjätte i världen ranking.
Northern Irishman McIlroy kortade en 66 för att avsluta bundna med American Bill Haas och kommer att flytta upp en plats till andra när rankingen publiceras på måndag.
Scotland försvarar mästare Russell Knox föll bort i den sista omgången, skjuta en två-över-par 74 för att hamna nionde tillsammans med Spaniard Sergio Garcia.
Engelsmännen Ross Fisher, Paul Casey och Matthew Fitzpatrick alla postade sista ronder på under 70 för att avsluta sjunde, 12: e respektive 16: e.
Vi har lanserat ett nytt BBC Sport nyhetsbrev, med alla de bästa berättelserna, funktioner och video direkt till din inkorg. Du kan anmäla dig här.
Hideki Matsuyama av Japan blev den första asiatiska vinnaren av en World Golf Championships händelse som Storbritanniens Rory McIlroy slutade fjärde.