I Uniteds första riktiga anfall, efter en dryg kvart, rullade Wayne Rooney bollen i mål. I den 29:e minuten höll sig Rooney framme igen och gjorde 2-0 inne i straffområdet.
Med sina två fullträffar blev 27-årige Rooney den yngste spelaren att göra 150 Premier League-mål. Endast fem spelare har tidigare nått 150-målsgränsen.
I den 60:e minuten reducerade City genom Yaya Touré. Det väckte Etihad Stadium till liv och jakten på en kvittering påbörjades för det City som den senaste tiden haft det kämpigt. Bland annat misslyckades man nyligen med att kvalificera sig för spel i de europeiska cuperna efter nyår.
Och utjämningen skulle komma - genom Pablo Zabaleta i den 86:e minuten.
Fick sista ordet
Men United skulle få sista ordet. I den andra tilläggsminuten slog Robin van Persie en frispark i mål via City-spelaren Samir Nasris utsträckta ben.
– Det var speciellt i dag eftersom City inte hade förlorat på hemmaplan på två år och vi båda kämpar i toppen av tabellen, sade Uniteds tränare Alex Ferguson till Sky Sports.
Robin van Persie om den rafflande upplösningen, där United såg ut att tappa sin tvåmålsledning:
– City kommer alltid tillbaka, det visste vi. Och det var verkligen ett speciellt sätt att avsluta den här matchen på, att så dramatiskt ta tre poäng.
Citys tränare Roberto Mancini om de uteblivna poängen:
– Sånt här händer. Men vi förtjänade inte att förlora den här matchen. Vi spelade väldigt bra.
Träffades av mynt
Efter van Persies 3-2-mål fick United-backen Rio Ferdinand ett mynt i ansiktet och spräckte ögonbrynet, myntet var kastat från någon i publiken.
– Det som hände Rio ska inte få hända på en fotbollsplan, kommenterade Robin van Persie.
I och med segern har United nu sex poängs försprång i ligatoppen gentemot City.
Manchester City: Hart, Zabaleta, Kompany (c), Nastasic, Clichy, Yaya Toure, Barry, Nasri, Silva, Aguero, Balotelli
Avb: Pantilimon, Maicon, Kolo Toure, Garcia, Tevez, Dzeko, Lescott
Manchester United: De Gea; Rafael, Ferdinand, Evans, Evra; Valencia, Cleverley, Carrick, Young; Rooney; Van Persie.
Avb: Johnstone, Jones, Giggs, Smalling, Hernandez, Welbeck, Scholes