Den tidigare Wales flyghalva långdistans drop-goal var höjdpunkten i en annars lågmäld första halvlek.
Bath's Harry Davies och David Denton hade försökt att stoppa Semesa Rokoduguni.
Men Rhys Priestland missade omvandlingen och Bristol höll fast vid att flytta två punkter bakom Worcester.
Mark Tainton sida förblir längst ner på bordet trots segern, som avslutade sin sju-spelet förlora strimma, medan Bath är i den slutliga play-off plats bara en punkt över femte-placerad Leicester.
Veteran Henson vann 33 kapsyler för Wales mellan 2001 och 2011 och fick det bättre av sparka slaget med sin motståndare nummer 10 och landsman Priestland.
Bath's Davies och Denton nekades poäng av sista-gasp tacklingar från Will Hurrell respektive Alby Mathewson, vid båda tillfällen deras fötter hamnade i kontakt.
Premiärskeppets rekordskytt Tom Varndell tvingades iväg mot hans vilja efter att ha misslyckats med en huvudskada bedömning men, inför sin största publik under säsongen, stod de fast vid att besegra Bath för första gången sedan december 2006.
Todd Blackadders sida har nu förlorat sina sista fyra borta matcher i ligan.
Bristol tillfällig huvudtränare Mark Tainton:
"Vår defensiva insats var massiv och att slå våra grannar var fantastiskt när vi stod upp mot dem men kampen mot nedflyttning kommer att gå hela vägen till slutet.
"Gavin kommer att vara öm efter sin comeback men han kontrollerade spelet som han var korrekt med både sin plats sparkar och line-kicking.
"Han är en förtroende spelare och växte in i spelet. Han är en stor man så han hotar försvaret innan han släpper bra off-loads och popup-pass."
Badledare för rugby Todd Blackadder:
"Vi slog oss själva eftersom vi inte höll i bollen tillräckligt och hade gott om möjligheter att vinna.
"Söndret var rörigt där de gjorde ett bra jobb med att sakta ner oss, men det finns inga ursäkter eftersom Bristol visade verklig envishet och aldrig slutade tro."
Bristol: Woodward; Lemi, Hurrell, Piutau, Varndell; Henson, Mathewson; Bevington, Jones, Perenise, Tuohy, Evans, Eadie, Lam, Crane.
Ersättningar: Crumpton, O'Connell, Ford-Robinson, Jeffries, Fenton-Wells, Williams, Pisi, Wallace.
Bad: Homer; Rokoduguni, Joseph, Tapuai, Davies; Priestland, Cook; Obano, Batty, Lahiff, Stooke, Ewels, Ellis, Denton, Grant.
Ersättningar: Van Vuuren, Marfo, Palma-Newport, Douglas, Mercer, Homer, Hastings, Clark.
Domare: Greg Garner.
För de senaste rugby facket nyheter följa @bbcrugbyunion på Twitter.
Gavin Henson sparkade alla Bristols poäng på sin skada tillbaka när de slog rivaler Bath för första gången på 11 år för att öka deras överlevnad hopp.