Roedd cais Remi Lamaret wedi rhoi'r Ffrancwyr ar y blaen ar yr egwyl, ond fe aeth Cymru ar y blaen yn yr ail hanner diolch i gicio cywir Leigh Halfpenny.
Parhaodd Les Bleus i bwyso yn y munudau olaf, gyda Samson Lee ac yna Dan Biggar yn cael cardiau melyn wrth i'r crysau cochion droseddu dro ar ôl tro i'w hatal.
Ond croesodd Damien Chouly i sicrhau na fyddai tîm Rob Howley yn gorffen eu hymgyrch yn y Chwe Gwlad eleni ar nodyn uchel.
Fe aeth cic gosb gyntaf y gêm i Ffrainc, ond cafodd Cymru ddihangfa wrth i ymdrech Camille Lopez o 45 metr ddod o fewn trwch blewyn i gyrraedd y pyst.
Daeth y pwyntiau'n fuan wedyn, wrth i gic Lopez dros yr amddiffyn gael ei chasglu'n dwt a'i thirio gan Lamerat dan y pyst.
Parhaodd y tîm cartref i bwyso, ac fe gafodd y bwlch ei ymestyn i ddeg pwynt gan Lopez wedi i Gymru gael eu cosbi am ddymchwel y sgrym.
Ond yna cafodd asgellwr Ffrainc, Virimi Vakatawa gerdyn melyn am daro'r bêl ymlaen wrth atal pas Biggar rhag cyrraedd George North am gais hawdd, ac fe drosodd Halfpenny ei bwyntiau cyntaf o'r prynhawn o'r gic gosb canlynol.
Ychwanegodd Halfpenny dri phwynt arall yn absenoldeb Vakatawa, cyn trosi am y trydydd gwaith funudau cyn yr egwyl i gau'r bwlch i bwynt.
Llwyddodd Cymru i wrthsefyll pwysau yn eu 22ain eu hunain ar ddechrau'r ail hanner, cyn i drosedd gan Ffrainc ar y llinell hanner ganiatáu i Halfpenny gicio Cymru ar y blaen am y tro cyntaf.
Yn dilyn rhagor o bwysau gan y crysau cochion llwyddodd y cefnwr gyda'i bumed gic gosb o'r prynhawn ac ymestyn y fantais i bum pwynt gyda chwarter awr yn weddill.
Tarodd Ffrainc yn ôl yn syth gydag ail gic cosb gan Lopez, cyn i Halfpenny ymestyn y fantais i bum pwynt unwaith eto ar ôl tacl uchel ar Ken Owens.
Treuliodd y Les Bleus weddill yr ornest yn gwthio'n galed ar linell gais Cymru, gan roi sgrym yr ymwelwyr dan bwysau cynyddol.
Cyrhaeddodd y cloc 94 o funudau yn dilyn ciciau cosb niferus i'r tîm cartref, ac oedi wrth i'r dyfarnwr teledu weld a oedd un o chwaraewyr Ffrainc wedi brathu braich North.
Roedd Cymru hefyd yn gynddeiriog bod Ffrainc wedi eilyddio'r prop Uini Atonio gydag anaf honedig, gan awgrymu mai rhesymau tactegol yn hytrach oedd y rheswm am y newid.
Ac fe ddaeth y cais o'r diwedd wedi bron i 100 munud o chwarae wrth i Chouly groesi o'r sgarmes, gyda throsiad Lopez yn cipio'r fuddugoliaeth.
Mae'r canlyniad yn golygu y bydd Cymru'n gorffen yn bumed ym Mhencampwriaeth y Chwe Gwlad eleni, ar ôl colli tair o'u pum gêm.
Fe gymrodd hi bron i 100 munud o chwarae yn Stade de France cyn i Ffrainc gipio buddugoliaeth ddramatig yn erbyn Cymru yn y Chwe Gwlad.