Beslutet togs med röstsiffrorna 432 mot och 202 för, och aldrig tidigare har en brittisk regering förlorat så stort i en parlamentsomröstning.
Vad som händer nu är inte klarlagt. Theresa May har sagt att hon kommer att ge besked på måndag om hur hon ska gå vidare.
Oppositionsledaren Jeremy Corbyn begärde omedelbart efter omröstningen en misstroendeomröstning mot regeringen. Den hålls redan under onsdagen.
EU-kommissionens ordförande Jean-Claude Juncker var besviken efter omröstningen och uppmanade Storbritannien att klargöra sina intentioner så snart som möjligt. Europeiska rådets ordförande Donald Tusk säger enligt Reuters att den enda positiva lösningen nu är att Storbritannien stannar i EU.