Deux des trois juges du ring ont donné les résultats 115-113 et 116-112 à Artur Beterbiev, tandis que l'autre a donné une égalité de 114-114.
Les deux hommes étaient invaincus avant le combat de Riyad, Dmitry Bivol détenant la ceinture WBA et Beterbiev les WBC, WBO et IBF.
En menant le barbu Beterbiev jusqu'au bout des 12 rounds au Kingdom Arena de la capitale saoudienne, Bivol est devenu le premier homme à tenir la distance contre un champion dont le bilan est de 100 % de victoires par K.O. ou par arrêt.
"Je voulais boxer davantage, je n'aime pas ce combat. J'étais un peu mal à l'aise", a déclaré Beterbiev.
"Je me suis senti mal à l'aise, car d'habitude je n'attends pas la cloche.
Ce combat, reporté en juin dernier après que Beterbiev, basé à Montréal, se soit blessé au genou, mettait pour la première fois les quatre ceintures majeures reconnues entre les mains d'un seul homme.
Le dernier champion incontesté des mi-lourds était l'Américain Roy Jones Jr., qui avait battu Reggie Johnson pour unifier les ceintures WBA, WBC et IBF en 1999.
Bivol s'est imposé comme une cible mouvante dans un combat de grande qualité entre un Beterbiev agressif et doté d'une grande force de frappe et un rival plus fluide, qui a porté des coups spectaculaires dès le début du combat et a pris le dessus dans les premiers rounds.
À mi-parcours, il n'y avait plus beaucoup d'écart entre les deux, Beterbiev étant peut-être en retard, mais chaque round a été serré dans un combat qui n'a pas fait feu de tout bois, mais qui en a offert beaucoup aux puristes.
Beterbiev savait qu'il devait conclure en beauté dans les deux derniers rounds et a augmenté le rythme, mais Bivol s'est accroché et a riposté avec des combinaisons puissantes.
"Je félicite Artur et son équipe, il le mérite", a déclaré Bivol, qui se réjouit également d'une éventuelle revanche.
"J'ai fait mon travail, j'ai senti que je pouvais faire mieux, je sens toujours que je peux faire mieux, mais c'est l'opinion des juges. Il a gagné".
