Andre Andre Andre gav Porto ledningen, volleying in efter Asmir Begovic drev bort Yacine Brahimis ansträngningar.
Midfielder Willian utjämnade på halvtid med en superb frikick från kanten av området.
Maicon satte hemmasidan framåt igen med en snärtad header vid framstolpen, innan Diego Costa skramlade baren med en curling skott.
Chelseas Cesc Fabregas och Pedro tvingade båda spanska lagkamraten Iker Casillas - som gjorde ett rekord 152:a framträdande i tävlingen - att spara tidigt.
Men trots deras tidiga påtryckningar, och ett sent straff anspråk på en handboll av Ivan Marcano, de kom bort från Estadio do Dragao utan något.
Chelsea boss Jose Mourinho överraskande utelämnade förra årets PFA spelare av året Eden Hazard, som har kämpat för formen denna säsong.
På-lån strejkaren Radamel Falcao misslyckades med att ens göra bänken mot hans och Mourinhos tidigare team.
Samtidigt, Brasilien mittfält duo Willian och Ramires - som båda kom på och gjorde i 2-2 dragning mot Newcastle på helgen - namngavs i början, som var strejker Diego Costa, som för närvarande tjänar en inhemsk avstängning.
Men det var till försvar som Blues såg ut att ha de största problemen när de portugisiska ligan ledare - som vann tävlingen när Mourinho var ansvarig 2004 - gick framåt sex minuter före halvtid.
Full-back Branislav Ivanovics likgiltiga säsong fortsatte när han blev alltför lätt slagen av algeriska Brahimi i upptakten till Andres mål.
Mourinho beskrev sin sidas första halva föreställning mot Magpies som "minus en av 10" och denna slips såg ut att vara på väg samma väg bort tills Willian jämnas med en curling fri-kick.
Chelsea har medgett det näst mest mål (14) i Premier League denna säsong och Jolen Lopeteguis Porto betonade Londonklubbens problem på baksidan som Maicon förlorade sin markör för att nå en nära-post hörn och huvudet förbi Begovic. Danilo slog också inlägget från en annan uppsättning bit.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Toiling i 15: e plats i försvaret av sin Premier League titel, åtta poäng bakom ledare Manchester United, Mourinhos sida har nu lidit fem nederlag på 11 matcher i alla tävlingar den här säsongen.
Den portugisiske chefen har haft meningsskiljaktigheter med media och meningsskiljaktigheter med sin coachingpersonal eftersom hans team har stammat så här långt inom landet - och Mourinhos problem verkade ha spillt över till Europa.
Mourinhos sida besegrade lätt Maccabi Tel Aviv 4-0 i deras inledande gruppspel och Chelsea kan ha tagit en poäng från en hårt arbetande Porto sida.
Men de såg ansträngningar antingen slå i träslöjden eller avböjde vida, medan Marcano verkade hantera bollen i området.
Chelsea manager Jose Mourinho: " Vi ser dussintals upprepningar av Porto ta hörn. Vi var helt redo för det och i ett ögonblick när spelet är under kontroll medger vi ett mål som är löjligt.
"De slog till från ett liknande misstag. Bortsett från det, spelet var balanserad. Två löjliga ögonblick och vi straffades."
Porto coach Julen Lopetegui: " Spelarnas attityd var fantastisk, spektakulär. Det var vår bästa föreställning för säsongen. Jag måste gratulera mitt team. Dessa tre punkter är helt förtjänta. Det var tufft och orättvist att gå till omklädningsrummet på halvtid med en dragning, men vi reagerade bra."
Chelsea möter en knepig hemmamatch mot Southampton på lördag, medan de kommer upp mot Dynamo Kiev i deras tredje Grupp F spel i Champions League den 20 oktober.
Matchändar, FC Porto 2, Chelsea 1.
Andra halvlek, FC Porto 2, Chelsea 1.
Försök blockerat. Kenedy (Chelsea) vänster fotade skott från mitten av lådan är blockerad. Hjälpt av Diego Costa.
Försök blockerat. Willian (Chelsea) vänster fotade skott från utsidan lådan är blockerad.
Hörnet, Chelsea. Förföljd av Marcano.
Giannelli Imbula (FC Porto) visas det gula kortet för en dålig foul.
Willian (Chelsea) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Giannelli Imbula (FC Porto).
Diego Costa (Chelsea) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Evandro Goebel (FC Porto).
Ersättning, FC Porto. Pablo Daniel Osvaldo ersätter Yacine Brahimi.
Försök missade. Nemanja Matic (Chelsea) vänster fotade skott från utsidan lådan är hög och bred till vänster. Hjälpt av Cesc Fàbregas.
Danilo Pereira (FC Porto) visas det gula kortet för en dålig foul.
Eden Hazard (Chelsea) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Danilo Pereira (FC Porto).
Danilo Pereira (FC Porto) träffar vänster inlägg med en rubrik från mitten av rutan. Hjälpt av Miguel Layún med ett kors efter ett hörn.
Hörnet, FC Porto. Förföljd av Gary Cahill.
Ersättning, FC Porto. Miguel Layún ersätter André André.
Nemanja Matic (Chelsea) visas det gula kortet för en dålig foul.
Foul av Nemanja Matic (Chelsea).
Giannelli Imbula (FC Porto) vinner en frispark i anfallshalvan.
Ersättning, FC Porto. Evandro Goebel ersätter Rúben Neves.
Försök missade. Branislav Ivanovic (Chelsea) huvudet från mitten av lådan är nära, men missar till höger. Hjälpt av Willian med ett kors som följer ett hörn.
Hörnet, Chelsea. Förföljd av Danilo Pereira.
Ersättning, Chelsea. Nemanja Matic ersätter Ramires.
Ersättning, Chelsea. Kenedy ersätter Pedro.
Försök missade. Rúben Neves (FC Porto) höger fotade skott från vänster sida av lådan missar till höger efter ett hörn.
Hörnet, FC Porto. Förföljd av Asmir Begovic.
Försöket räddades. Yacine Brahimi (FC Porto) höger fotade skott från vänster sida av lådan sparas i mitten av målet.
Hörnet, FC Porto. Sammankallad av Cesc Fàbregas.
Försök blockerat. Danilo Pereira (FC Porto) vänster fotade skott utanför lådan är blockerad.
Försök blockerat. Vincent Aboubakar (FC Porto) vänster fotade skott från mitten av lådan är blockerad. Hjälpt av André André.
Försöket räddades. Giannelli Imbula (FC Porto) vänster fotade skott från utsidan boxen sparas i toppen av målet. Hjälpt av Vincent Aboubakar.
Försök missade. Giannelli Imbula (FC Porto) vänster fotade skott utanför lådan är nära, men missar övre vänstra hörnet. Hjälpt av Marcano.
César Azpilicueta (Chelsea) vinner en frispark i defensiva halvan.
Foul av André André (FC Porto).
César Azpilicueta (Chelsea) visas det gula kortet för en dålig foul.
Foul av César Azpilicueta (Chelsea).
André André (FC Porto) vinner en frispark i defensiva halvan.
Försök missade. Eden Hazard (Chelsea) höger fotade skott från en svår vinkel till höger är nära, men missar till höger. Hjälpt av Pedro.
Chelseas dåliga start på säsongen fortsatte då de blev slagna av Porto i Champions League.