Spanskan hade förlorat de tre sista finalerna och innehavare Frankrike flyttade framför med en Mathilde Bourdieu tap-in.
Patricia Guijarro sköt hem till nivå men en lockig finish från Emelyne Laurent återställde Frankrikes ledning.
Damaris Egurrola gjorde det 2-2 och Frankrikes Pauline Dechilly skickades iväg innan Guijarro på väg i vinnaren.
Det var en upprepning av förra årets final men denna gång dök Spanien upp segrare efter att ha förlorat under de sista fyra gångerna under de senaste fem åren.
Bourdieu slits in från Laurents kors i fjärde minuten på Windsor Park för att ge Frankrike en perfekt start.
Guijarro sträckte sig till slut från ett hörn 14 minuter senare men Frankrike var tillbaka i fronten när Laurent tävlade klart och lockigt bortom väktare Noelia Ramos med 19 minuter kvar.
Egurrola träffade Carmen Menayos frikick för att gå in på 85 minuter och Dechilly avskedades för två gula kort två minuter senare.
Den sista minuten vinnaren kom från en annan Menayo fri-kick, denna gång med Guijarro ansluter på baksidan post för att slutföra sin dubbel och klinka en spännande seger.
Spanien gjorde mål två gånger under de senaste fem minuterna för att slå Frankrike 3-2 i en dramatisk Women's European U19 Championship decisioner i Belfast.