Kristersson röstades ned med siffrorna 195 mot 154.
Därmed blir det ingen M-ledd regering tillsammans med Kristdemokraterna, som Kristersson tänkt sig.
Moderatledaren blir därmed den förste statsministerkandidat som inte godkänts av riksdagen sedan enkammarriksdagen infördes 1971. Det innebär att talmannen måste fortsätta sökandet efter Sveriges nästa statsminister.
Avgörande var tisdagens besked att centerpartisterna skulle trycka på nej-knappen. Om C hade bestämt sig för att i stället lägga ned sina röster hade det räckt för Kristersson.
- Dagens omröstning handlar inte om Ulf Kristersson som statsminister utan om att inte ge SD avgörande inflytande, sade C-ledaren Annie Lööf inför omröstningen.
Även Liberalerna röstade nej. L-ledaren Jan Björklund sade att om omröstningen bara hade handlat om Ulf Kristersson som statsminister skulle L ha röstat ja.
- Jag erkänner att det är en tung dag att rösta mot en Allianskollega, sade Björklund.
Kristersson fick dock stöd av Sverigedemokraterna, som tryckte på grön knapp.
- Vi har ännu inte en regering på plats och det är ett kraftigt underbetyg till partier i den här församlingen som låst fast sig i orimliga positioner, sade SD-ledaren Jimmie Åkesson.