Den 24-faldige Grand Slam-mästaren startade bra och vann första set med 6–4 mot argentinaren Thiago Tirante.
Men i andra set så var 39-åringen helt slut på energi, kollapsade och kräktes i handduken. Han tvingades omedelbart till en medicinsk timeout där han undersöktes av läkare och fick hjälp med återhämtningen.
Efter det lyckades inte Djokovic återhämta sig och förlorade med 2–1 i set.
Kommer aldrig tillbaka till staden
I matchintervjun efteråt ville den tidigare världsettan inleda med att gratulera sin motståndare, för att senare förklara sitt tillstånd.
– Ärligt talat har det inte varit en trevlig match för mig. Det har inte varit första gången, och det kommer inte att bli sista. Det är bara så det är, säger han och fortsätter med ett avslöjande:
– Det är inte tillstånden som är problemet. Det beror på ett hälsoproblem jag har. Jag har haft det i många år nu.
Djokovic menar att det blir värre när det är mycket fukt och värme.
– Jag visste att de här förhållandena skulle påverka mig, men det finns andra saker också: nerverna och allt som följer med en match som denna. Allt det gör situationen värre, och det är vad som hände.
Slutligen erkände han att han troligen aldrig kommer spela i Cincinnati igen.
Förlusten är ett bakslag inför US Open – som börjar om 15 dagar.