Chelsea hade gått mållöst från fem raka ligamatcher – vilket inte hänt sedan 1912 – och var på väg mot ett historiskt lågvattenmärke med sjätte raka nollan sedan Cole Palmer missat en straff.
Men Joao Pedros reducering på tilläggstid bröt måltorkan.
Dock inte förlustsviten i ligan. Chelsea ligger nia och en Champions League-plats ser allt mer avlägsen ut.
Många hemmasupportrar lämnade arenan innan matchen var över.
Taiwo Awoniyi blev matchvinnare för Nottingham med två mål – det första redan i andra minuten.
Nottingham har sex poäng ned till West Ham på nedflyttningsplats med tre omgångar kvar att spela.
