Värdarna ledde när Ben Richards-Everton volleyed hem men Jordan Hugill spårade in för att utjämna för besökarna.
Med fyra minuter extra tid kvar, Jordan Clark återställde ledningen men Hugill planade igen i extra tid.
Men Billy Kee slog till i tredje minuten av stopptid för att ge Stanley seger över deras Lancashire rivaler.
Kee gjorde också i Accringtons 3-1 seger mot Colchester på öppningsdagen av League Two.
De har nu slagit ut högre ligan motstånd i EFL Cup för andra på varandra följande år efter att de slog Burnley förra säsongen.
Accrington Stanley chefen John Coleman berättade för BBC Radio Lancashire:
"Jag är glad över resultatet eftersom det var ett svårt spel. Det var en fullblods derby och bara att tävla mot lag som detta på vad vi tror är en jämn spelplan är ett bevis på hur långt klubben har kommit.
"Preston är en bra sida och det visade de. De flyttade bollen riktigt bra och vi visste att från när vi spelade dem i en försäsongen vänlig.
"Vi var ett annat djur ikväll. Vi skapade mycket fler problem för dem."
Preston North End manager Alex Neil berättade för BBC Radio Lancashire:
"För att vara ärlig borde vi inte ha tvingat på extratid. Vid 1-1 såg vi ut som om vi skulle fortsätta och vinna matchen.
"När vi medgav hörnet trodde jag att jag sett detta en miljon gånger tidigare. Vi medgav från ett set stycke som verkligen är frustrerande.
"Om du tittar på spelet, Vi hade många möjligheter och chanser, Vi tog inte dem eller göra dem räknas och slutligen blev vi straffade på grund av det."
Matchen slutar, Accrington Stanley 3, Preston North End 2.
Andra halvlek, Accrington Stanley 3, Preston North End 2.
Försök missade. Daryl Horgan (Preston North End) höger fotade skott från mitten av lådan missar till höger.
Försök blockerat. Paul Gallagher (Preston North End) höger fotade skott från mitten av lådan är blockerad.
Hörnet, Preston North End. Förföljd av Tyler Hornby-Forbes.
Mål!  Accrington Stanley 3, Preston North End 2. Billy Kee (Accrington Stanley) header från mycket nära räckvidd till den höga mitten av målet. Hjälpt av Tom Dallison efter ett hörn.
Hörnet, Accrington Stanley. Sammankallad av Daniel Johnson.
Mål!  Accrington Stanley 2, Preston North End 2. Jordan Hugill (Preston North End) rubrik från vänster sida av sex yard box till nedre högra hörnet. Hjälpt av Sean Maguire.
Hörnet, Accrington Stanley. Förföljd av Andrew Boyle.
Mål!  Accrington Stanley 2, Preston North End 1. Jordan Clark (Accrington Stanley) höger fotade skott från mitten av lådan till nedre högra hörnet. Hjälpt av Kayden Jackson.
Hörnet, Accrington Stanley. Förföljd av Chris Maxwell.
Försöket räddades. Liam Nolan (Accrington Stanley) höger fotade skott från utsidan rutan sparas i nedre vänstra hörnet.
Försök missade. Billy Kee (Accrington Stanley) höger fotade skott från utsidan lådan är hög och bred till höger.
Substitution, Accrington Stanley. Seamus Conneely ersätter Scott Brown.
Kayden Jackson (Accrington Stanley) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Alan Browne (Preston North End).
Substitution, Preston North End. Alan Browne ersätter Callum Robinson.
Hörnet, Preston North End. Förföljd av Scott Brown.
Försöket räddades. Kevin O'Connor (Preston North End) huvud från mitten av lådan sparas i mitten av målet.
Hörnet, Preston North End. Förföljd av Ben Richards-Everton.
Foul av Jordan Clark (Accrington Stanley).
Kevin O'Connor (Preston North End) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Hörnet, Accrington Stanley. Sammankallad av Paul Gallagher.
Försök missade. Kevin O'Connor (Preston North End) höger fotade skott utanför lådan är hög och bred till höger.
Ben Richards-Everton (Accrington Stanley) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Jordan Hugill (Preston North End).
Försök blockerat. Sean McConville (Accrington Stanley) höger fotade skott från vänster sida av lådan är blockerad.
Mål!  Accrington Stanley 1, Preston North End 1. Jordan Hugill (Preston North End) höger fotade skott från höger sida av lådan till nedre vänstra hörnet. Hjälpt av Daryl Horgan efter en snabb paus.
Försök blockerat. Jordan Clark (Accrington Stanley) höger fotade skott från höger sida av lådan är blockerad.
Foul av Billy Kee (Accrington Stanley).
Andrew Boyle (Preston North End) vinner en frispark på vänsterkanten.
Försök blockerat. Paul Gallagher (Preston North End) höger fotade skott utanför lådan är blockerad.
Försöket räddades. Jordan Hugill (Preston North End) höger fotade skott från utsidan av lådan sparas i nedre högra hörnet.
Substitution, Preston North End. Sean Maguire ersätter Liam Grimshaw.
Ben Richards-Everton (Accrington Stanley) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Jordan Hugill (Preston North End).
Försök blockerat. Kayden Jackson (Accrington Stanley) höger fotade skott utanför lådan är blockerad.
Hörnet, Preston North End. Förföljd av Mark Hughes.
Försök missade. Daniel Johnson (Preston North End) höger fotade skott från utsidan av lådan missar till vänster.
Försöket räddades. Callum Robinson (Preston North End) höger fotade skott från utsidan av lådan sparas i nedre högra hörnet.
Accrington Stanley säkrade en dramatisk sen seger över Championship sida Preston North End för att försegla sin plats i den andra omgången av EFL Cup.