Med en dryg halvtimme spelad sköt Erin Cuthbert ett distansskott som domaren bedömde att tog på Ellen Whites arm. Domaren pekade på straffpunkten, men City-spelarna menade att bollen tog på Demi Stokes höft.
Reprisbilderna visade att Manchster City nog hade rätt då de klagade på Rebecca Welchs domslut.
White fick gult kort och Chelsea fick en straff som Maren Mjelde sköt in till 1-0.
Chelsea är obesegrat
Den regerande mästaren gjorde 2-0 genom Sam Kerr i den 57:e minuten innan Chloe Kelly reducerade på straff.
Då svarade Chelsea snabbt genom Fran Kirby som överlag stod för en imponerande insats på sin högerkant.
Förlusten var Man Citys första för säsongen. Chelsea är fortsatt obesegrat, men trots det bara trea i tabellen.
MER FOTBOLL: Här blir Asllani historisk för Real Madrid