Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Stags dominerade under långa trollformler och hade de bästa chanserna, men två gånger fann sig själva bakom.
För den andra på varandra följande hemmamatchen förlorade Stags innehav och straffades på motattacken som Jordan Slew sprang på bollen i sin egen hälft och tävlade klart på 14 minuter, lämnar Jamie McGuire i hans kölvatten, och han slitit hem över Brian Jensen och utanför den avlägsna inlägget.
Det var deras enda försök med Argylevaktaren Luke McCormick.
Han stoppade en tam tidig Matt Green ansträngning, tipsade bort en curling James Baxendale skott, gjorde ett fint kvarter från Ashley Hemmings och såg en Mitch Rose blast segel över baren.
Men Mansfield var plan på 58 minuter när Green snärtade på ett Rose kors och Hemmings sprängde hem ett stigande skott under den avlägsna vinkeln från den avlägsna stolpen.
Hemmings kom två gånger nära en annan, sköt bara bred och slog en stolpe.
Men Pilgrims, som bara har förlorat en gång i 16 matcher tog det som Slew matade Fox att skjuta hem en utmärkt finish från 18 meter.
Rapport från Pressföreningen.
Matchen slutar, Mansfield Town 1, Plymouth Argyle 2.
Andra halvlek: Mansfield Town 1, Plymouth Argyle 2.
Försening över. De är redo att fortsätta.
Försening i match Sonny Bradley (Plymouth Argyle) på grund av en skada.
Malvind Benning (Mansfield Town) vinner en frispark på högerkanten.
Foul av David Ijaha (Plymouth Argyle).
Foul av Malvind Benning (Mansfield Town).
Ryan Donaldson (Plymouth Argyle) vinner en frispark på högerkanten.
Yann Songo'o (Plymouth Argyle) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Darius Henderson (Mansfieldstaden).
Foul av Darius Henderson (Mansfieldstaden).
Ben Purrington (Plymouth Argyle) vinner en frispark på högerkanten.
Foul av Darius Henderson (Mansfieldstaden).
Yann Songo'o (Plymouth Argyle) vinner en frispark i anfallshalvan.
James Spencer (Plymouth Argyle) visas det gula kortet för en dålig foul.
Krystian Pearce (Mansfield Town) vinner en frispark på vänsterflygeln.
Foul av James Spencer (Plymouth Argyle).
Substitution, Mansfield Town. Danny Rose ersätter Lee Collins.
Yann Songo'o (Plymouth Argyle) vinner en frispark på vänsterkanten.
Foul av Malvind Benning (Mansfield Town).
Försöket räddades. Rhys Bennett (Mansfield Town) höger fotade skott från utsidan boxen sparas i mitten av målet.
Ersättning, Plymouth Argyle. David Ijaha ersätter Jordan Slew.
Försök missade. Ashley Hemmings (Mansfield Town) vänster fotade skott från vänster sida av lådan missar till höger.
Substitution, Mansfield Town. Darius Henderson ersätter James Baxendale.
Mål!  Mansfield Town 1, Plymouth Argyle 2. David Fox (Plymouth Argyle) höger fotade skott från utsidan av lådan till nedre vänstra hörnet. Hjälpt av Jordan Slew.
Foul av Yann Songo'o (Plymouth Argyle).
Matt Green (Mansfield Town) vinner en frispark i defensiva halvan.
Hörnet, Plymouth Argyle. Förföljd av Chris Clements.
Hörnet, Plymouth Argyle. Förföljd av Malvind Benning.
Hörnet, Plymouth Argyle. Förföljd av Krystian Pearce.
Substitution, Mansfield Town. Jack Thomas ersätter Mitch Rose.
Mitch Rose (Mansfield Town) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Ben Purrington (Plymouth Argyle).
Försök missade. Graham Carey (Plymouth Argyle) vänster fotade skott utanför lådan är för hög.
Försök missade. Yann Songo'o (Plymouth Argyle) höger fotade skott från utsidan lådan är hög och bred till höger.
Försöket räddades. Ashley Hemmings (Mansfield Town) vänster fotade skott från utsidan av lådan sparas i det övre vänstra hörnet.
David Fox (Plymouth Argyle) vinner en frispark i defensiva halvan.
Foul av Rhys Bennett (Mansfield Town).
James Baxendale (Mansfield Town) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av David Fox (Plymouth Argyle).
David Fox första mål för Plymouth Argyle 10 minuter från tiden såg dem i hatten för den andra omgången av FA Cup efter en hårdnackad seger på Mansfield Town.