Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
England tog ledningen genom Harry Kanes tidiga närstrid, men Samuel Umtiti och Djibril Sidibe gav Frankrike en 2-1 ledning.
Kane utjämnades från straffplatsen efter att Raphael Varane skickades iväg, men Dembeles låga mål i 78:e minuten vann seger.
Vem stod ut i thrillern i Stade de France?
Burnleys vakt hade ingen tur. Gjorde två fina räddningar från Olivier Giroud och Ousmane Dembele som slutade i mål för Samuel Umtiti och Djibril Sidibe.
Jones såg ibland den mest säkra av Englands rygg tre, vilket inte bör tas som en stor komplimang. Men han skämde inte ut sig själv.
Stackars natt, men han har inte lyckats. Kämpade mot Frankrikes pulserande attack.
Inte den säkra och lugna artist vi har sett för Chelsea. Förlorade Olivier Giroud i upptakten till Frankrikes första mål.
Mycket hygglig kväll för Tottenham-spelaren. Han såg solid och säker ut och visade ett gott temperament på sin Englanddebut.
Än en gång visade sig mer än en skicklig vicesheriff för Danny Rose. Sätt Harry Kanes första mål på en tallrik och tog också med en fin räddning från Frankrikes hovmästare Hugo Lloris.
Effektivare än mot Skottland och vann straffet med en typisk våg in i området.
Tuff natt men saknade stöd och fann det svårt att kedja fast Paul Pogba.
Stor uppfinning att spela en viktig roll i Kanes öppningsmål men så frustrerande vid andra tillfällen med brist på slutprodukt.
Väldigt fattig. Vandrade ineffektivt runt mittfältet i första halvlek och förlorade bollen alldeles för ofta.
Helt enkelt en naturlig målgörare och visade igen att han är Englands huvudskytt på planen. Det borde hålla kaptenskapet permanent nu.
Jack Butland (för Heaton, 45 minuter) 7: Utmärkt. Gjorde fina räddningar och hade ingen chans med det mål han medgav. Förstärkt hans rykte.
Kyle Walker (för Bertrand, 45 minuter) 6: Förvånansvärt skickad framför Aaron Cresswell för att operera på vänster flank. En höger-back - inte mer inte mindre.
Adam Lallana (för Trippier, 76 minuter) Ingen rating.
Aaron Cresswell (för Jones, 80 minuter) Ingen rating.
Gjorde en bra, låg räddning från Ryan Bertrand strejk, men blev slagen två gånger av Tottenham lagkamrat Harry Kane.
Stödde de framåtspelare gång på gång med intelligenta överlappande körningar och fick på matchprotokollet genom att slotting hem strax före halvtid.
Real Madrids tre-tiden Champions League vinnare tog ner Dele Alli för en straff tidigt i andra halvlek och visades ett rakt rött kort.
Staplade hem Frankrikes mål från en set-bit, men tur att inte medge en straff när utmana Raheem Sterling i lådan.
Monacospelaren, som var starkt förbunden med Chelsea, bröt sig fram i ett tidigt skede, men varade bara 21 minuter när han kom ut skadad efter att ha kolliderat med reklamtavlorna.
Underbart. Den 20-årige visade upp sin fantastiska talang med kvick fotarbete, skicka John Stones till däcket med en fantastisk tur i upptakten till det andra målet och nät en klinisk vinnare sent på.
Jag antar det. Han höll bollen i rörelse mitt i parken och slösade sällan bort innehavet. Ingen England spelare lyckades komma nära, särskilt efter några majestätiska arbete för att komma förbi Gary Cahill.
Hardworking som alltid, snott innehav tillbaka för sin sida och snyggt på bollen. Kan nu se fram emot några veckor ledigt efter en Premier League titelvinnande säsong med Chelsea.
Gav bort bollen för Englands öppnare på sin första internationella start men återhämtade sig väl med några imponerande arbete ner till vänster.
Pace, tricks, industri. Du kan se varför den spännande Monaco ungen har kopplats till en stor pengar flytta. Orsakade England backline alla typer av problem, men slog korsstången när han skulle ha gjort mål i ett gapande nät.
Den Arsenal frontman hade en fantastisk volley avvisas för offside men knappt hade en kick. Offrad efter Raphael Varanes avsked.
Lucas Digne (för Mendy, 21 minuter) 5: Verkade obekvämt när frågor ställdes defensivt.
Laurent Koscielny (för Giroud, 52 minuter) 6: Posed få problem av England.
Christophe Jallet (för Sidibe, 90 minuter) Ingen rating.
Ousmane Dembele gjorde en sen vinnare när 10-man Frankrike kom bakifrån för att slå England 3-2 i en vänlig i Paris.