Shelton, número 6 del mundo, dijo adiós a Cincinnati tras encajar un doble 6-4 en una hora y 53 minutos ante el portugués, número 79 del ránking.
Tras ganar el primer set, Faria iba 1-4 abajo en el segundo antes de encadenar cinco juegos consecutivos para eliminar a Shelton, su primera victoria contra un jugador del 'Top 10' de la ATP.
"Trabajo para vivir momentos como este. No empecé especialmente bien el año, intentando volver al 'Top 100'. Mejoré mi mentalidad, trabajé más duro y me centré más en el proceso. Cuando las cosas tienen que pasar, pasan, y por eso estoy tan feliz", dijo Faria.
En tercera ronda, Faria se enfrentará al australiano Adam Walton, número 98. El portugués, que en primera ronda ya eliminó al estadounidense Jenson Brooksby (n.74), nunca antes había ganado un partido en un Masters 1.000.
Shelton, por su lado, venía de revalidar el domingo su corona en el Masters 1.000 de Canadá, tras derrotar en la final a su compatriota Brandon Nakashima en un torneo en el que no cedió ni un solo set.
El estadounidense se une al serbio Novak Djokovic como los únicos jugadores del 'Top 10' eliminados de Cincinnati antes de la tercera ronda.