Chris Maguire slog en lysande frikick från 23 meter i stopptid för att ge U: s seger.
Bantams, som hade varit obesegrad i sina första 15 matcher i kampanjen, stanna tvåa i League One men de kommer att förbanna Billy Clarke straff miss i 21: a minuten.
Charlie Raglan snubblade Timothee Dieng att medge spot-kick, men Clarke slog straff mot crossbaren.
Innan dess, Maguire två gånger gick nära för U: s, med stadsbevarare Colin Doyle skjuta åt sidan sin 15-yard volley, och senare rädda strejkarens huvud.
Bradford började då kontrollera innehavet och Jordy Hiwula borde ha gjort bättre än himlen en volley från 10 meter ut.
Simon Eastwood räddades vid Clarkes fötter medan besökarna fortsatte att skapa möjligheter.
Hiwula missade rejält från fyra meter ut i andra halvan innan Oxford började se farligt ut.
Ryan Taylor hade en insats sparad och Chey Dunkley såg sitt huvud från ett hörn blockerat på mållinjen.
Precis som spelet gick in andra halvan stopptid, straffade domaren Romain Vincelot för att dra John Lundstrams skjorta, och Maguire böjd i frispark för hans sjunde mål för säsongen.
Rapporter från Pressföreningen.
Matchen slutar, Oxford United 1, Bradford City 0.
Andra halvlek, Oxford United 1, Bradford City 0.
Mål!  Oxford United 1, Bradford City 0. Chris Maguire (Oxford United) från en frispark med en högerfotad skott till nedre högra hörnet.
Stephen Darby (Bradford City) visas det gula kortet för en dålig foul.
John Lundstram (Oxford United) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Stephen Darby (Bradford City).
Hörnet, Oxford United. Överenskommet av Nicky Law.
Foul av Joe Rothwell (Oxford United). - (EN) Herr ordförande!
Josh Cullen (Bradford City) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Försök missade. Timothee Dieng (Bradford City) header från vänster sida av sex yard box är bara lite för hög.
Foul av Marvin Johnson (Oxford United).
Nicky Law (Bradford City) vinner en frispark i anfallshalvan.
Hörnet, Oxford United. Förföljd av Timothee Dieng.
Försök blockerat. Cheyenne Dunkley (Oxford United) huvud från höger sida av sex yard box är blockerad.
Hörnet, Oxford United. Förföljd av Stephen Darby.
Försöket räddades. Ryan Taylor (Oxford United) huvud från mitten av rutan sparas i mitten av målet.
Handboll av Timothee Dieng (Bradford City).
Foul av Filipe Morais (Bradford City).
John Lundstram (Oxford United) vinner en frispark i anfallshalvan.
Försök missade. Kane Hemmings (Oxford United) vänster fotade skott från mitten av lådan är nära, men missar till vänster.
Billy Clarke (Bradford City) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Joe Rothwell (Oxford United). - (EN) Herr ordförande!
Hörnet, Oxford United. Förföljd av Timothee Dieng.
Substitution, Oxford United. Kane Hemmings ersätter Alexander MacDonald.
Substitution, Bradford City. Marc McNulty ersätter Jordy Hiwula-Mayifuila.
Substitution, Bradford City. Filipe Morais ersätter Mark Marshall.
Hörnet, Bradford City. Förföljd av Cheyenne Dunkley.
Hörnet, Bradford City. Förföljd av Charlie Raglan.
Försök blockerat. Mark Marshall (Bradford City) höger fotad skott från höger sida av lådan är blockerad.
Försök missade. Josh Ruffels (Oxford United) vänster fotade skott utanför lådan är nära, men missar till vänster.
Ryan Taylor (Oxford United) visas det gula kortet för farligt spel.
Romain Vincelot (Bradford City) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Ryan Taylor (Oxford United).
Försöket räddades. Ryan Taylor (Oxford United) höger fotade skott från utsidan boxen sparas i mitten av målet.
Försök missade. Jordy Hiwula-Mayifuila (Bradford City) höger fotade skott från en svår vinkel på vänster missar till höger.
Hörnet, Oxford United. Förföljd av Romain Vincelot.
Hörnet, Oxford United. Förföljd av Timothee Dieng.
Försöket räddades. Alexander MacDonald (Oxford United) höger fotade skott från mitten av lådan sparas i mitten av målet.
Substitution, Bradford City. Matthew Kilgallon ersätter James Meredith på grund av en skada.
Försök missade. Chris Maguire (Oxford United) höger fotade skott utanför lådan är nära, men missar till höger.
Bradford förlorade sitt rekord som landets enda oslagbara sida i alla tävlingar efter att ha gått ner till ett mycket sent mål i Oxford.