Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Wendie Renard blickade i en rubrik från ett hörn djupt in i skada tid att sända Mark Sampson sida till ett grymt nederlag i Pennsylvania.
Marie-Laure Delie hade lett Frankrike nivå med 10 minuter att gå efter Jordan Nobbs 25-yards öppningsmål.
Englands andra match i fyra lag turnering är mot värdar USA i New Jersey på lördag.
De avslutar sedan med en match mot Tyskland i Washington den 7 mars.
Onsdagens resultat innebär att England fortfarande väntar på sin första seger i SheBelieves Cup, efter att ha dragit en och förlorat två i förra årets händelse, och är utan seger över fransmännen sedan 1974.
Sampsons lag är den lägsta sidan i evenemanget, med VM-hållare USA första, europeiska och olympiska mästare Tyskland andra och Frankrike tredje.
USA slog senare Tyskland 1-0, med Lynn Williams poäng för värdarna.
Matchen slutar, England 1, Frankrike 2.
Andra halvlek, England 1, Frankrike 2.
Mål!  England 1, Frankrike 2. Wendie Renard (Frankrike) huvud från mitten av rutan till övre vänstra hörnet. Hjälpt av Amel Majri med ett kors efter ett hörn.
Hörnet, Frankrike. Förföljd av Demi Stokes.
Foul av Amandine Henry (Frankrike).
Jill Scott (England) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Försök missade. Wendie Renard (Frankrike) huvudet från mitten av lådan är bara lite för hög. Hjälpt av Amel Majri med ett kors efter ett hörn.
Hörnet, Frankrike. Förföljd av Jill Scott.
Karen Bardsley (England) visas det gula kortet.
Foul av Amandine Henry (Frankrike).
Nikita Parris (England) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Marie-Laure Delie (Frankrike) vinner en frispark på högerkanten.
Foul av Millie Bright (England).
Substitution, England. Isobel Christiansen ersätter Jordan Nobbs.
Foul av Eugénie Le Sommer (Frankrike).
Lucy Bronze (England) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Amel Majri (Frankrike) vinner en frispark på vänsterflygeln.
Foul av Nikita Parris (England).
Substitution, Frankrike. Amel Majri ersätter Griedge Mbock Batty på grund av en skada.
Försening över. De är redo att fortsätta.
Försening i match Griedge Mbock Bathy (Frankrike) på grund av en skada.
Sarah Bouhaddi (Frankrike) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Ellen White (England).
Mål!  England 1, Frankrike 1. Marie-Laure Delie (Frankrike) rubrik från mycket nära till övre vänstra hörnet. Hjälpt av Élodie Thomis med ett kors.
Marie-Laure Delie (Frankrike) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Jade Moore (England).
Offsides, Frankrike. Amandine Henry försöker en genom boll, men Wendie Renard fångas offside.
Eugénie Le Sommer (Frankrike) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Lucy Bronze (England).
Substitution, Frankrike. Élodie Thomis ersätter Gaëtane Thiney.
Handboll av Eugénie Le Sommer (Frankrike).
Försening över. De är redo att fortsätta.
Substitution, England. Alex Scott ersätter Rachel Daly.
Substitution, England. Nikita Parris ersätter Ellen White på grund av en skada.
Försening i match Ellen White (England) på grund av en skada.
Substitution, Frankrike. Eugénie Le Sommer ersätter Kadidiatou Diani på grund av en skada.
Försening över. De är redo att fortsätta.
Försening i matchen Kadidiatou Diani (Frankrike) på grund av en skada.
Amandine Henry (Frankrike) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Ellen White (England).
England medgav ett 95-minuters mål eftersom de drabbades av ett plågsamt nederlag av Frankrike i deras SheBelieves Cup öppnare.