Stokes, slog för fyra på varandra följande sexor i Kolkata i World T20 final förlust, slog en 39-ball 57 i Englands 321-8.
Han tog bort nyckelmannen Virat Kohli och avslutade en 104-run monter mellan Kedar Jadhav och Hardik Pandya.
Jadhav kvar med Indien behöver 16 från finalen över, men Chris Woakes fick honom fångad för 90.
Inte bara gav det England en första internationell seger på turnén efter ett 4-0 nederlag i testerna, men också bara en fjärde framgång i 26 ODI i Indien.
Indien tar serien 2-1, med den första av tre Twenty20 internationals i Kanpur på torsdag.
Stokes tidigare spel i Kolkata slutade med honom sjönk på Eden Gardens torv efter att ha klubbats för fyra maximum av Västindien Carlos Brathwaite.
Denna återkomst var en heroisk sådan när han gav energi åt slutet av Englands innings med fladdermusen och sedan tog vital fladdermöss med bollen.
England såg ut att falla mindre än en konkurrenskraftig total på 246-6 efter 43 overs, bara för vänsterhänt Stokes, med hjälp av sina fötter och siktar på mitten av området, att spränga en 34-boll halv-talet.
Master run-chaser Kohli tappades på fint ben på 35 av Jake Ball och såg sannolikt att få England att betala innan Stokes framkallade en wild drive och en kant bakom.
Och när Indien såg till att ha vänt farten, Stokes återvände till skål 46: e och 48: e overs, conceded endast sju körningar, bowling Pandya och att Ravichandran Ashwin fångas i mitten av.
I en otrolig jakt på 351 att vinna den första en dag internationella, högerhänt Jadhav förstörde England med 120 från 76 bollar.
Medan han sedan leddes av kapten Kohli, här var han tvungen att göra huvuddelen av arbetet, först i sällskap med Pandya, som red sin tur för 56 i ett århundrade partnerskap som kom i mindre än 14 overs.
När Jadhav inte var så stor, spelade han klipp och drag, och även om Wickets föll runt honom såg han på rätt väg för att försegla en anmärkningsvärd seger när Englands bowling blev trasig, kanske på grund av en daggpåverkad, hal boll.
I T20-finalen försvarade England 19 av finalen. Här hotade Jadhav att göra något lika häpnadsväckande:
På placid platser i de första två ODIs, England gjorde poäng 350-7 och 366-8 bara för att förlora båda.
Här var de bekvämare på en yta som erbjöd rörelse och studs för pace bowlare.
Ändå upprepades en svaghet i att förlora wickets vid viktiga ögonblick och fladdermöss som inte lyckades konvertera bra starter.
Jason Roy kom in i en trasa att skålas av Ravindra Jadeja för 65, kapten Eoin Morgan hjälpte en lång hopp till korta fina benet för 43 och Jonny Bairstow klippa till punkt för 56 - båda män offer för den utmärkta Pandyas 3-49.
Stokes sena slag tog England till en konkurrenskraftig poäng och deras pace bowlare åtnjöt större hjälp att köra igenom Indien topporder, även efter David Willey tvingades från fältet med en axelskada.
Sedan kom laddningen av Jadhav och Pandya, men Stokes och Woakes, som tidigare lagt 73 med fladdermusen i bara 40 bollar, hade sista ordet.
Simon Hughes på Test Match Special
Det var ingen skam att förlora de två första matcherna. Det fanns ingenting i det för England bowlare och de kom upp mot några fantastiska indiska slag.
Här fanns det mer i planen för England och de utnyttjade det mycket väl.
Champions Trophy kommer att ha denna typ av platser och England ser bättre ut när bollen gör lite.
Mannen på matchen Ben Stokes: "Det var svårt när vi kom hit förra gången. Jag lade ner det på kaptenen för att få mina överdrifter ur vägen innan det sista över!
"Det var svårt i början av mina innings. Bollen gjorde lite så jag gav mig själv så mycket tid jag kunde. Woakesy spelade en bra roll i det också.
"Det har varit fantastiskt att vara en del av serien. Tack och lov fick vi en vinst."
England tränare Trevor Bayliss: "Vi har spelat några bra cricket, poäng en hel del körningar och vi kände att vi förtjänade en seger.
"På denna mark, jag är säker på att det fanns några minnen. Det sammanfattar Ben Stokes att han kunde komma över det och skåla mycket bra."
England kapten Eoin Morgan: " Det har varit hårt arbete - en konkurrenskraftig serie. Det var tufft för bowlarna. Vi blev belönade för vår uthållighet och drivkraft för att få ett resultat. Vi kämpade hårt mot en riktigt bra sida."
Indien kapten Virat Kohli: "Det har varit en serie av många positiva. Vi kom nästan över linjen idag och vi blev glada över att se två av våra yngre killar visa karaktär lägre ordning. Jag är mycket nöjd."
England höll på att vinna den tredje en dag internationella mot Indien med fem körningar som Ben Stokes fann frälsning i Eden Gardens.