Jaga en blygsam 130 i ett spel minskat till 20 overs per sida av regn, var värdarna inställd på en historisk triumf med 20 behövs off 16 bollar och Eoin Morgan och Ravi Bopara vid vecket.
Men Morgans avgång för 33 var den första av fyra wickets att falla för tre körningar i åtta bollar som England slogs av en bout av nerver.
De slutade på 124-8 efter James Tredwell missade den sista bollen i innings med sex krävs för seger.
1979 World Cup: Lost to West Indies by 92 runs
1987 World Cup: Lost to Australia by seven runs
1992 World Cup: förlorade till Pakistan av 22 körningar
2004 Champions Trophy: Förlorade till Västindien av två wickets
2010 World Twenty20: Slå Australien med sju wickets
2013 Champions Trophy: Förlorade till Indien av fem körningar
Off-spinner Ravichandran Ashwin tog 2-14 och långsam vänsterarmar Ravindra Jadeja 2-24 för att komplettera hans vitala unbeaten 33 off 25 bollar i Indiens 129-7.
England får fundera över ett femte nederlag i en stor final - och ännu en plågsam förlust i Champions Trophy-showen efter att ha gått ner till Västindien 2004 - efter den typ av bedrövlig kamp som många trodde hade förts till det förflutna.
Ett jublande Indien, under tiden, kan lägga till Champions Trophy till VM de vann 2011.
De - och tusentals indiska fans bland en utsåld publik - är också skyldig en skuld tack vare International Cricket Council, som förlängde slutet av spelet med mer än en timme för att tillåta matchen att sluta på 20:30 BST.
Det sätt på vilket England fladdrade mot spinn - två fladdermöss var stubbade, om än en, i Ian Bell, trots repris antyder annat - tog glansen av en fin prestation med bollen.
Bopara 3-20 var därför förgäves, medan hans uppsägning för en slag 30 - vad som såg ut som spelets mest avgörande innings - är sannolikt att bli ihågkommen som en del av en ökänd kollaps.
En femte-wicket monter på 64 mellan Morgan och Bopara åsido, England var sällan bekväm under en jakt som undergrävdes när Alastair Cook kantade Umesh Yadav att första glida i den andra över.
"Indien har varit laget i turneringen och ingen kan missunna dem denna seger. Tack och lov att slutet av speltiden förlängdes eftersom vi hade ett fantastiskt spel av cricket. Det var en anmärkningsvärd över från Ishant Sharma och det var det som vände matchen runt. "
Jonathan Trott, kritiserad för sin strejk i denna turnering, slogs som om han hade en poäng att bevisa att göra 20 off 17 bollar, bara för att överbalansera som han försökte arbeta Ashwin till sidan. Mahendra Dhoni avslutade en smart stubbning på en bensida bred.
Joe Root svepte Ashwin till korta fina ben och Bell var stubbed - några replays föreslog hans fot var jordade - när han drog sin fot ut knuffar på mannen i matchen Jadeja, lämnar England 46-4.
Bopara slog två enorma ben-side sexor och Morgan ett som de återställde maktbalansen, men spelet förändrades i en anmärkningsvärd över från den egensinniga Ishant Sharma.
Han bowlade två på varandra följande breda innan Morgan, sveper över linjen, fann mitt-wicket av en långsammare boll, och när Bopara drog nästa leverans till bakåt kvadrat-ben, England rullade.
Som för att illustrera den panik som hade drabbat omklädningsrummet, Jos Buttler skålades första bollen siktar en osant heave på Jadeja, sedan Tim Bresnan sprang ut efter att han gick på jakt efter en omöjlig singel att peka.
Englands branta bild satte Virat Kohlis bidrag, som gjorde 43, och Jadeja i större sammanhang, på en tonhöjd som vände sig mer allteftersom kvällen gick framåt.
1983 World Cup: Beat West Indies med 43 körningar
2002 Mästare Trophy: Delad trofé med Sri Lanka
2007 World Twenty20: Slå Pakistan med fem körningar
2011 World Cup: Beat Sri Lanka med sex wickets
2013 Champions Trophy: Beat England med fem körningar
De hjälpte till att reparera ett poängkort som läste 66-5 efter förlusten av Suresh Raina och Dhoni på fem bollar, med Jadeja leda en sen attack som gav 33 - ytterst avgörande - löper bort de sista tre overs.
England var tvunget att vänta nästan sex timmar för att dra nytta av överkastade förhållanden som var lite annorlunda än när de vann kastet.
Stuart Broad slog dock till i fjärde omgången när han slog tillbaka en gång för att slå Rohit Sharmas drive.
Skalp av Shikhar Dhawan, turneringens ledande run-scorer, var mer högt prisad, inte minst eftersom han uppercut Broad för sex och tog på varandra följande fyrar utanför Tredwell innan han körde en Bopara långsammare boll till kort extra cover för att avgå för 31.
Dinesh Karthik toppade ett svep av Tredwell till korta fina ben, den första av tre wickets att falla för två körningar i 12 bollar som Bopara hade Raina tas i mitten av en mistimed körning och Dhoni klippa till tredje man.
Cue Kohlis motattack, som stärkte Jadeja och presenterade en mäktig drog sex av Broad ögonblick efter att han släpptes över huvudet av Trott på kort tredje man.
Även om Kohli lyfte James Anderson till Bopara vid lång tid i näst sista över och Ashwin var körd ut av Bells direkta hit, Indiens sena wobble var ingenting jämfört med Englands.
Englands sökande efter en global endagstitel fortsätter efter att de kollapsade till ett femlopps nederlag av Indien i en pulserande Champions Trophy final i Edgbaston.