Jamaicanske Kishane Thompson så ut som vinner da løperne passerte målstreken, men etter målgang viste det seg at amerikaneren var fem tusendeler raskere.
Begge ble stående med 9,79, men Lyles ble målt til 9,784 og Thompson til 9,789.
– Det var gullet jeg ville ha. Det er den tunge kampen og de utrolige motstanderne. Jeg ville bevise at jeg var den beste, sa Lyles til Eurosport.
Thompson måtte ta til takke med sølv, mens amerikanske Fred Kerley tok bronsen.
9,79 er ny personlig rekord for Lyles. Amerikaneren fikk en dårlig start, men hadde klart høyest fart andre halvdel av løpet.
27-åringen vant gull på både 100 meter og 200 meter i Budapest-VM i fjor.
Italienske Marcell Jacobs var forsvarende mester fra Tokyo-OL for tre år siden. Han ble nummer fem i årets finale.
Les også: Ingebrigtsen slo Kerr i prestisjeduell – fikk med Nordås til OL-finale
