Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Första halvan försök från Vincent Clerc och Maxime Medard öppnade en ledning av 16 obesvarade punkter som England skickade straff och gjorde grundläggande fel över hela parken.
England slog tillbaka med ett fint försök från Ben Foden och stängde till inom sju punkter med tre minuter kvar när Mark Cueto kapitaliserade på en paus från ersättare Matt Banahan.
Men de fick slut på tid och inspiration när Les Bleus startade en välförtjänt semifinalkrock med Wales.
Frankrike, som var så fattigt i sina poolmatcher, var en sida som förvandlades när de tog hämnd för sina världscupnederlag 2007 och 2003.
"England blåstes bort i första halvlek och fick förmodligen en ordentlig avräkning. De kom ut med lite mer fart och precision men de gjorde för många misstag med knock-ons, straff och omsättning. England skulle aldrig göra mål från 80 meter ut.
"De som har sett England tidigare kunde se att de inte var annorlunda men medan Skottland och Argentina inte kunde hålla avståndet och England vann sent, Frankrike var en annan outfit."
Nederlaget kommer att lämna manager Martin Johnson under press efter hans spelande av parning Jonny Wilkinson och Toby Flood vid 10 och 12 misslyckades med att antända England back linje, medan hans framåt var upprepade gånger näst bäst på set-bit och i lös.
Johnsons kontrakt löper ut i november, och fyra veckor lika minnesvärda för skandaler utanför planen som alla landvinningar på det kommer att göra lite för att blidka de ökända ryckiga kommitté-männen på rugby fotbollsfacket.
Frankrike antogs vara ett lag i bitar, slagen av Tonga för bara en vecka sedan och med coach Marc Lievremont offentligt kritisera sina spelare, men så klart var deras seger att mycket av atmosfären hade sugits från tävlingen långt innan slutet.
England hade en tidig möjlighet med en line-out djupt i franska territoriet efter en smart grubber från Foden bara för Lionel Nallet att gräva tillbaka innehav, och de sedan slet in i Frankrike igen som Alexis Palisson krossades baklänges efter att ha tagit en Garryowen och Manu Tuilagi dundrade in i Morgan Parra.
Efter sporering sporadiskt för fyra matcher, slutade Englands Kiwi kampanj som det förmodligen förtjänade att: i nederlag, till ett lag som var mer dynamisk, mer klinisk och mycket mer sammansatt när det spelade störst roll.
Läs mer från Toms blogg
Men det var den mest flyktiga av falska gryning. Dmitri Jachvilli fick ett straff på avstånd efter det att Flood misslyckats med att släppa sin man på däcket, och Frankrike tog ett grepp om att de aldrig skulle ge upp.
Wilkinson kämpade, skicka re-start direkt i kontakt och kasta ett pass på samma sätt, och Frankrike gick sedan nära det första försöket av tävlingen som Clerc tog en lång passera ut till vänster och var bara buntad i kontakt med hörnflaggan.
Yachvilli gjorde det 6-0 med en andra söt strike från 45 meter efter Matt Stevens straffas för kollapsa en scrum, och sedan drog ytterligare ett straff bara bred från samma plats.
Englands spelare hade talat om "blitzing" Frankrike under de första 20 minuterna, men det var Lievremont män med alla hot och fara.
En annan line-out stals, och när bollen skickades lämnade Clerc klev och snurrade genom halta utmaningar från Wilkinson, Chris Ashton och Foden för att dyka över och göra det 11-0.
England var återigen statiskt i sina få attacker, bara Tuilagis tjurar som erbjuder något hot, Flood reduceras till att sikta en långdistans drop-goal grop som missas av en gata.
Louis Deacon skickade en annan slarvig straff, vilket gör att Yachvili att sparka till hörnet, och efter dundrande enheter från framåt vänster flygeln Alexis Palisson och Medard kombineras ut brett för att sätta full-back i för Frankrikes andra försök.
England var i oordning, bara Yachvilis misslyckanden med omvandlingarna hålla dem i spelet, och när de slutligen skapade utrymme för sina ytters Cueto släpades ner meter från linjen innan en annan egensinnig pass från Wilkinson stängde dörren på Ashton bred ut höger.
England hade aldrig tidigare kommit tillbaka för att vinna från en marginal på mer än 12 poäng, och felen fortsatte att komma tjock och snabb som Tom Croft blev den senaste att hosta upp bollen.
De tog en osannolik livlina när Ben Youngs tog en snabb tryck och gå för att släppa Foden, som jinked och dummed sin väg över för att göra det 16-5 med 23 minuter kvar på klockan, Wilkinson poppar över konverteringen för 16-7.
Johnson kastade på sina ersättare, men England slösade bort vad god mark de kunde arbeta med.
Översvämningen dök upp en slarvig off-load djupt i den franska 22 för att tillåta en röjningsspark att släcka faran, och när Nick Påsk försökte mullra från djupt inom sin egen 22 hans sjukhuspass till Tuilagi utlöste en annan knock-on.
Frankrike, lett av man-of-the-match Imanol Harinordoquy, satte upp läger framför de engelska posterna, och när bollen matades tillbaka till Trinh-Duc den ersättning fluga-halv slits drop-goal för att göra det 19-7.
Banahans sena anklagelse tillät Cueto att ge efter för ett försök på döden, men med Översvämningens omvandling glidande vida England behövde ett konverterat försök att tvinga på extra tid - något de varken kunde frambesvärja eller säga att deras prestation förtjänade.
England: Foden, Ashton, Tuilagi, Flood, Cueto, Wilkinson, Youngs, Stevens, Thompson, Cole, Deacon, Palmer, Croft, Moody, Påsk.
Ersättningar: Wigglesworth för Wilkinson (65), Banahan för Youngs (65), Corbisiero för Stevens (49), Hartley för Thompson (56), Shaw för Deacon (49), Lawes för Croft (46), Haskell för Moody (63).
Frankrike: Medard, Clerc, Rougerie, Mermoz, Palisson, Parra, Yachvili, Poux, Servat, Mas, Pape, Nallet, Dusautoir, Bonnaire, Harinordoquy.
Ersättningar: Marty för Rougerie (68), Trinh-Duc för Yachvili (53), Barcella för Poux (56), Szarzewski för Servat (56), Pierre för Pape (65), Picamoles för Harinordoquy (72).
Ej använt: Heymans.
Englands VM-drömmar föll sönder under ett franskt angrepp en natt då deras tillkortakommanden brutalt avslöjades i kvartsfinalen.