Thea Brookes (30 inte ute) och Paige Scholfield (38) delade ett 69-runt åttonde-wicket partnerskap för att lämna värdarna behöver åtta körningar från finalen över.
Men Hayley Matthews bowlade Rebecca Grundy och sen blev Beth Langston fångad, med Lightning ute för 158.
Thunder hade postat en imponerande 164-8 efter Amy Satterthwaites halv-talet och Deandra Dottins snabbbrand 42.
En nära run jakt från Lightning hade sett osannolik ut när kapten Georgia Elwiss (20) kördes ut i non-striker slut och värdarna halkade till 57-4.
England spinner Sophie Ecclestone 3-23 sedan reducerade Loughborough till 88-7 men Brookes och Scholfield såg motattack - slående åtta fyror och en sex när de tog upp sina femtio partnerskap från bara 28 bollar.
Trots att Scholfield blev tillrättavisad på 36 när hon släpptes av Nat Brown, hon bowlades av Dottin av nästa boll som den fängslande spelet svängde en sista gång till Lancashires fördel.
Båda sidor har nu en seger och ett nederlag efter sina första två matcher, men Lightning förblir ovanför Thunder tack vare sin bonus-punktsvinst i ligans installationsmatch den 30 juli.
Lancashire Thunder kantade till en spikbitande seger över Loughborough Lightning vid Haslegrave.