Tanken med Ghannouchis interimsregering var att förbereda en övergång till demokrati i och med val i sommar, men demonstranterna tycker att detta styre är för likt expresidenten Zine El Abidine Ben Alis.
100.000 i protestmarsch
Ghannouchis besked kom efter det att de våldsamma demonstrationerna i Tunis fått ny fart denna helg. I fredags slöt ungefär 100.000 människor upp i en protestmarsch. I lördags dödades tre personer i våldsamheterna.
På söndagen var protesterande åter ute på gatorna, kastade sten och ropade slagord i protest mot övergångsregeringen. Polisen sköt varningsskott och tårgas för att skingra demonstranterna.
-Jag flyr inte min ansvar. Det här är för att öppna vägen för en ny premiärminister, sade Ghannouchi på en presskonferens i Tunis.
Valet i sommar ligger fast
Demonstranterna har krävt att Ben Alis tidigare ministrar tas bort ur övergångsregeringen. Ghannouchi är en av dem. Han hade innehaft premiärministerposten sedan 1999.
-Den här avgången kommer att tjäna Tunisien, revolutionen och Tunisiens framtid, sade han.
Ghannouchi underströk att planen att hålla val senast i mitten av juli ligger fast.
Ny premiärminister
Beji Caid Sebsi utsågs på kvällen till ny premiärminister i den tunisiska övergångsregeringen. Han var tidigare utrikesminister under president Habib Bourguibas tid.
Mohamed Ghannouchi
Mohamed Ghannouchi, 69, stannade kvar som premiärminister när Tunisiens president Zine El Abidine Ben Ali överraskande flydde till Saudiarabien i januari efter 23 år vid makten.
Ghannouchi var en av Zine El Abidine Ben Alis förtrogna och medlem av maktpartiet RCD. Han har innehaft premiärministerposten sedan 1999.
När Ben Ali hade gett upp tog Ghannouchi initiativ till bildandet av en övergångsregering, där oppositionen är företrädd.
Delar av oppositionen har aldrig gett upp sitt krav att alla den gamla regimens män måste rensas bort.