Nyckelögonblicket var en fumling av Mayokeeper Robert Hennelly tidigt i andra halvan som gav Dublin ett straff som gjordes av Diarmuid Connolly.
Hennelly var en sen inkludering i stället för David Clarke men flytten misslyckades.
Djupt inne i skadetiden missade Cillian O'Connor en svår fri som skulle ha jämnat ut poängen.
Lee Keegan mål satte Mayo framåt halvvägs genom den första perioden men Dublin omgrupperade för att leda 0-10 till 1-6 med halvtid.
Hennelly kämpade illa med sina kick-outs tidigt med en av sina felriktade tillstånd som ledde till svart carding av den inflytelserika Keegan sent i första halvan av vad som var ett enormt slag för Connacht county.
Tidigare, Dublins Jonny Cooper var också svartkortade och ett antal andra spelare från båda sidor - särskilt Dublins John Small - hade turen att inte lida samma öde.
I slutändan, Dublins starkare bänk visade sig avgörande som Cormac Costello kom på att sparka mästarnas tre slutpoäng från spel.
Cillian O'Connors nionde poäng i tävlingen lämnade minimum mellan lagen med tre minuters skadetid kvar men Mayo fri-taker sedan missade en högtrycksfri från 40 meter som skulle ha jämnat ut poängen igen.
Som Dublin firade back-to-back titlar för första gången sedan länets triumfer 1976 och '77, Mayos spelare såg crestfallen som de försökte komma till rätta med ett femte All-Ireland slutliga nederlag på 12 år.
Med Hennelly kämpar för att välja ut lag-kamrater från hans kick-outs, Dublin flyttade in i en 0-4 till 0-0 ledning av den sjätte minuten som inkluderade tre Dean Rock poäng - varav två var från spel.
Men Mayo var på villkor inom sex minuter efter en körning av fyra punkter som startades av Patrick Durcans fantastiska punkt.
Två Rock frees kantade Dublin framåt igen men Mayo var plötsligt i ledningen när den överlappande Keegan tog en perfekt viktad pass från Aidan O'Shea innan hamrar förbi Stephen Cluxton från 14 yards.
Coopers svarta carding ögonblick senare för en hand resa verkade en ytterligare boost för Mayo men Dubs outscored dem 0-4 till 0-2 under återstoden av den första perioden att leda 0-10 till 1-6 vid pausen.
Mayo återfick ledningen inom två minuter efter omstarten men var snart tre i förfall efter en annan Rock free följdes av Hennellys ylande som han tvingades att medge ett straff efter att spilla en ofarligt ser boll, med hans oundvikliga svart carding följt av Connolly superbt stroking förbi Clarke.
Mayo skär Dublins bly till minimum vid fyra tillfällen under den återstående halvtimmen av åtgärder, men deras vanliga ve av felande skottlossning och en brist på lugn hindrade dem från att komma på villkor.
Än en gång var Aidan O'Shea inte den styrka som Mayo hade hoppats på trots sitt goda arbete för sitt första halvmål.
Mayo: R Hennelly, B Harrison, D Vaughan, K Higgins, L Keegan, C Boyle, P Durcan, S O'Shea, T Parsons, K McLoughlin, A O'Shea, D O'Connor, J Doherty. En Moran, C O'Connor.
Dublin: S Cluxton; P McMahon, J Cooper, M Fitzsimons; J McCarthy, C O'Sullivan, J Small; B Fenton, P Manion; P Flynn, K McManamon, C Kilkenny; D Rock, D Connolly, B Brogan.
Mayos 65-åriga väntan på en All-Ireland Senior Football titel fortsätter efter innehavare Dublin kantade en 1-15 till 1-14 seger i finalen repris på Croke Park.