O governador de Ohio, John Kasich, recebeu 14% dos votos, segundo os resultados parciais. Cruz deve ficar com a maior parte dos 42 delegados designados pelo estado.
Cruz festejou a vitória ao lado de partidários em Milwaukee: "Esta noite foi um ponto de inflexão. Temos uma chance, uma chance real".
"Seja antes de Cleveland ou na convenção de Cleveland, juntos vamos ganhar a maioria dos delegados e juntos vamos derrotar Hillary Clinton em novembro".
A derrota no Wisconsin complica os planos de Trump de chegar aos 1.237 delegados necessários para garantir a indicação antes da convenção republicana de julho, em Cleveland.
Caso não chegue a este "número mágico" antes da convenção, Trump ficará exposto ao voto imprevisível dos delegados em Cleveland, que poderão votar segundo suas convicções e não em função das primárias.
Em um curto comunicado, Trump denunciou a "arremetida do establishment" do partido republicano, e acusou Ted Cruz de ser um "cavalo de Troia" usado pelos dirigentes para "roubar sua indicação".
Do lado democrata, Sanders confirmou o favoritismo revelado nas pesquisas e obteve 56% dos votos, contra 43% para Hillary Clinton, segundo resultados parciais.
"Temos o caminho da vitória, o caminho da Casa Branca", afirmou Sanders em Laramie, Wyoming, onde haverá "caucus" democrata no sábado.
No caso dos democratas, o Wisconsin distribui 86 delegados de maneira proporcional.
A votação foi a primeira após 10 dias de descanso na campanha para escolher os indicados à disputa pela Casa Branca, e deu um fôlego para Ted Cruz e Sanders no momento em que o processo se aproxima de seu último terço.
Sanders acumula mais uma vitória, após ganhar em Idaho, Utah, Alasca, Havaí, Washington, Minnesota e Michigan.
Ele venceu seis das últimas sete disputas do partido.
Apesar do otimismo do senador, a ex-secretária de Estado avança com uma vantagem de dois dígitos sobre Sanders em Nova York - estado pelo qual foi senadora e que vota em 19 de abril - e na Pensilvânia, que vai às urnas uma semana depois.
Clinton tem 1.773 delegados no momento, contra 1.094 de Sanders, incluindo os "superdelegados", funcionários partidários e legisladores que têm o direito assegurado de votar na convenção da Filadélfia, segundo a CNN.
Para garantir a indicação democrata, um pré-candidato precisa de 2.383 delegados.
Trump, que também lidera as pesquisas nestes dois estados, vive uma semana difícil, com sua aura de invencibilidade afetada por escândalos: seus recentes e polêmicos comentários contra o aborto, sobre a esposa de Cruz e contra uma jornalista que denunciou ter sido agredida pelo diretor de campanha do empresário diminuíram ainda mais o apoio das mulheres, segundo as pesquisas.