Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Ställ 136 för att vinna, nådde Pakistan sitt mål inom 15 overs, med Sharjeel Khan (59) och Khalid Latif (59 inte ut) dela en öppningsmonter av 107.
Det är Englands gemensamma näst största T20 nederlag i form av bollar kvar och tredje gången de har förlorat med nio wickets.
Hemsidan haltade tidigare till 135-7, förlorade sex wickets för 54 körningar, och i ett skede gick mer än sju overs utan att hitta gränsen.
Detta var en nedslående kväll i slutet av en annars framgångsrik limited-overs sommar för England, där de har vunnit en dagsserie mot Sri Lanka och Pakistan, liksom den enda T20 mot den förra.
Här, på en idealisk slagyta, kunde de inte komma på toppen av en Pakistan attack vars fyra pace bowlare skickligt varierade sin längd och tempo, tillsammans med vänster-arm spinnare Imad Wasim, som inte medger en gräns.
Sedan den bländande strokeplay av Sharjeel och Latif gladde en packad, partisan och öronbedövande Old Trafford, avslutar Pakistans turné på en betydande hög.
För att försvara en blygsam total, England behövde allt för att gå sin väg i fält. Istället drabbades de av en storm av gränser från Sharjeel och Latif.
Medan England kämpade för att hitta stängslet - de slog bara 10 fyror och en sexor - Pakistans första 36 körningar kom uteslutande i fyror, i rymden av fyra overs.
Vänsterhänt Sharjeel och hans högerhänta partner Latif utnyttjade som England alltför ofta föll kort, med kapten Eoin Morgan tvingas vända sig till Joe Root s enstaka off-spin i powerplay.
När Morgan kallade på sin frontlinje spinnare, Sharjeel två gånger loftade Adil Rashid över mitten av veken staketet för att nå en 30-boll halv-talet.
Rashid hade åtminstone Sharjeel himmel till Moeen Ali på täcket, sedan hade en stubbig chans missade av Jos Buttler att avvisa Babar Azam.
Men då, resultatet var inte i tvivel, Latif klubba Moeen över ko hörn för att slutföra hans halv-talet i 36 bollar och Babar slå Liam Plunkett för fyra för att försegla segern.
Englands problem började långt innan dess, i ett slagkraftigt försök som kvävdes av noggrannheten, variationen och verkställandet av Pakistans fem bowlare.
Alex Hales och Jason Roy lade till 56 för den första Wicket men, efter Roy fick lbw omvänd-svettande lysande Imad för 21, England halkade till 110-6.
Hales skålades av Imad för 37 innan kvartetten av pacemen, av vilka tre är vänster-armar, tog över.
Med hjälp av förändringar i tempot, Hasan Ali fick Joe Root och Ben Stokes fångas på tredje man och djupa fyrkantiga ben respektive, medan den utmärkta Wahab Riaz hade Morgan kanten bakom och Buttler slag till djup punkt.
I allt detta gick England från slutet av den 10: e över till halvvägs genom den 18: e utan att hitta repet.
När David Willey slutligen träffade Sohail Tanvir till mitten av veket staketet, var det den enda gränsen England slog i andra halvan av deras innings.
England kapten Eoin Morgan på BBC Test Match Special: "Förmodligen de sista två overs av våra innings och de första tre av Pakistans, förhållandena verkligen förändrades. Vi har fel med kastet.
"Pakistan skålade riktigt bra och vi var ungefär 15 kort på Wicket vi slog på. På wicketen vi bowlade på hade vi behövt 185."
England tränare Trevor Bayliss på Sky Sports: " Spelet handlade om momentum. Som vi skulle tillåta Pakistan att komma överst. Vi visade inte brådska med att springa. Vi spelade som söta pojkar i ett skede.
"Det är en oro om vi förlorar den sista matchen i en serie. Vi vill vinna varje match. Du kan träna så mycket du vill, men det måste komma inifrån."
Pakistan kapten Sarfraz Ahmed på BBC Test Match Special: "Först av allt, måste kredit gå till spelarna, som har svarat riktigt bra. Bowlarna skålade riktigt bra och det gjorde Sharjeel och Khalid också.
"Publiken var riktigt bra. Det var som att spela ett hemmaspel."
England var thrashed i deras slutliga international av sommaren, förlorar den enda Twenty20 match mot Pakistan av nio wickets på Old Trafford.