Beslutet som togs med 309 röster för och 305 emot är ett stort bakslag för premiärminister Theresa May i en central brexitfråga, rapporterar brittiska medier.
Tolv konservativa ledamöter röstade emot regeringen, åtta av dem före detta ministrar, skriver BBC.
Regeringen har varnat för att en omröstning om det slutgiltiga avtalet äventyrar ett så kallat mjukt brexit.
- Vi är besvikna över att parlamentet har röstat för den här justeringen, trots de kraftfulla försäkringar vi har framfört, säger en talesperson för regeringen till Sky News.
Labourledaren Jeremy Corbyn uttrycker dock glädje över resultatet.
- Theresa May har motsatt sig demokratiskt ansvarstagande. Hennes ovilja att lyssna innebär att hon nu måste acceptera att parlamentet återtar kontrollen, säger han till mediebolaget.