U's ledde på halvtid genom Piero Mingoia men spelet förvandlades av mål från Shrimps par Jack Dunn och Paul Mullin i loppet av tre minuter efter timmen.
Winger Mingoia öppnade scoring nio minuter före pausen, skjuta över Morecambe målvakt Barry Roche efter bollen föll för honom när Ben Williamson var oförmögen att få ett skott bort.
Besökarna jämnades ut i 62: a minuten när Dunn konverterade från straffplatsen efter att ha tagits ner av Luke Berry.
Dunn var inblandad igen två minuter senare, rånade Conor Newton och befriade Mullin i mitten, som rundade vakten Will Norris och sköt bortom en man på linjen.
Medy Elito och Berry båda sköt brett som värdarna misslyckades med att hitta en equalizer, lämnar dem utan en seger i deras öppna åtta ligan fixturer.
Cambridge United manager Shaun Derry berättade för BBC Radio Cambridgeshire:
"Tills jag får veta annars kommer jag att göra mitt jobb precis som jag har gjort de senaste tio månaderna.
"Det har varit ett jobb som jag är väldigt stolt över att ha. Jag har njutit av några underbara tider här och jag förväntar mig att njuta av några framtida underbara tider.
"Jag är en kämpe. Det känns som om jag är i ett litet krig just nu, ett krig mot mig själv och jag hatar att se oss längst ner i ligan. Men jag slåss."
Rapport från Pressföreningen.
Match slutar, Cambridge United 1, Morecambe 2.
Andra halvlek, Cambridge United 1, Morecambe 2.
Försök missade. Adam McGurk (Cambridge United) höger fotade skott utanför lådan är för hög.
Försök missade. Jack Dunn (Morecambe) vänster fotade skott från utsidan lådan är hög och bred till vänster.
Uche Ikpeazu (Cambridge United) vinner en frispark på höger flygel.
Foul av Michael Rose (Morecambe).
Ryan Edwards (Morecambe) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Harrison Dunk (Cambridge United).
Försöket räddades. Uche Ikpeazu (Cambridge United) höger fotade skott från utsidan rutan sparas i nedre vänstra hörnet.
Ersättning, Morecambe. Aaron McGowan ersätter Paul Mullin.
Brad Halliday (Cambridge United) vinner en frispark i defensiva halvan.
Foul av Michael Rose (Morecambe).
Substitution, Cambridge United. Greg Taylor ersätter Medy Elito.
Försök missade. Luke Berry (Cambridge United) höger fotade skott utanför lådan är bara lite för hög.
Försök blockerat. Uche Ikpeazu (Cambridge United) höger fotade skott från mitten av lådan är blockerad.
Dean Winnard (Morecambe) visas det gula kortet för en dålig foul.
Uche Ikpeazu (Cambridge United) vinner en frispark i defensiva halvan.
Foul av Dean Winnard (Morecambe).
Foul av Medy Elito (Cambridge United).
Paul Mullin (Morecambe) vinner en frispark i anfallshalvan.
Ersättning, Morecambe. Ntumba Massanka ersätter Cole Stockton.
Ersättning, Morecambe. Peter Murphy ersätter Andrew Fleming.
Brad Halliday (Cambridge United) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Cole Stockton (Morecambe).
Harrison Dunk (Cambridge United) vinner en frispark i defensiva halvan.
Foul av Cole Stockton (Morecambe).
Försök missade. Medy Elito (Cambridge United) höger fotade skott från vänster sida av lådan är nära, men missar till höger.
Försöket räddades. Max Clark (Cambridge United) vänster fotade skott från utsidan boxen sparas i mitten av målet.
Försöket räddades. Jack Dunn (Morecambe) vänster fotade skott från utsidan boxen sparas i mitten av målet.
Hörnet, Morecambe. Sammankallad av Leon Legge.
Foul av Uche Ikpeazu (Cambridge United).
Dean Winnard (Morecambe) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Substitution, Cambridge United. Max Clark ersätter Conor Newton.
Substitution, Cambridge United. Uche Ikpeazu ersätter Ben Williamson.
Mål!  Cambridge United 1, Morecambe 2. Paul Mullin (Morecambe) vänster fotade skott från mitten av lådan till övre vänstra hörnet. Hjälpt av Jack Dunn.
Hörnet, Cambridge United. Förföljd av Dean Winnard.
Mål!  Cambridge United 1, Morecambe 1. Jack Dunn (Morecambe) konverterar straffet med en vänster fotad skott till nedre vänstra hörnet.
Straffet medgavs av Luke Berry (Cambridge United) efter ett brott i straffområdet.
Straffet Morecambe. Jack Dunn drar ett brott i straffområdet.
Försök missade. Cole Stockton (Morecambe) höger fotade skott från mer än 35 meter är för hög.
Cambridges dystra start på League Two säsongen fortsatte när de kapitulerade ledningen att förlora 2-1 hemma till Morecambe.