Prognoser från fyra tv-kanaler visar att Khans rörelse PTI leder före regerande PML-N, rapporterar Reuters.
Shehbaz Sharif, ledare för PML-N, säger att hans parti inte godtar resultatet.
- Det är ett så uppenbart fusk att alla brister ut i gråt. Det de har gjort i dag kastar Pakistan 30 år tillbaka i tiden, säger Shehbaz Sharif vid en presskonferens i Lahore, enligt AFP.
PML-N har under flera veckor anklagat landets militär för att försöka rigga valet till förmån för Imran Khan.
Khans parti var fyllt av självförtroende, även om prognoserna inte ger PTI egen majoritet i Nationalförsamlingen. Partiets talesman Fawad Chaudhry gratulerar på Twitter landet till att ha fått en ny premiärminister: Imran Khan.
Blodigt bombdåd
Landet har inför valet skakats av en rad attacker, som krävt över 180 människors liv. Hundratusentals poliser och militärer hade därför placerats ut vid vallokaler runt om i landet. Det förhindrade inte en ny explosion under onsdagsmorgonen, i staden Quetta i västra Pakistan. Gärningsmannen försökte ta sig in i en vallokal och utlöste sin sprängladdning när polisen ingrep för att stoppa honom, uppger lokala myndighetsföreträdare för nyhetsbyrån AFP.
Dödssiffran har under dagen stigit till 31.
Islamiska staten säger sig ligga bakom attacken i ett uttalande via propagandaorganet Amaq. Jihadistgruppen tog även på sig ett attentat tidigare i juli då en självmordsbombare dödade 149 människor under ett valmöte – ett dåd som blev ett av de blodigaste i Pakistans historia.
Vägrar vara rädd
Kvinnorättsaktivisten Fauzia Arshad, som också är lokalpolitiker för partiet PTI i provinsen Punjabi, säger att hon trots det spända säkerhetsläget vägrar känna rädsla.
- Alla åtgärder som vidtagits för att öka säkerheten är helt enastående. Så jag känner mig lugn, sade Fauzia Arshad till TT över telefon från en vallokal i Punjabi.
Hon tror på en vinst för sitt parti.
- Vi har jobbat hårt med att försöka förklara för människor vad ett välfärdssystem är och vilka rättigheter man har, så jag hoppas att vi vinner, sade hon.
Kahn röstade på onsdagsmorgonen i en förort till huvudstaden Islamabad och sa till nyhetsbyrån AFP att det är "dags att besegra partierna som hållit Pakistan gisslan i åratal".
Korruptionsdömd ledare
PML-N kan bland annat luta sig mot en god ekonomisk tillväxt och en ström av utländska investeringar under partiets år vid makten.
Men skandalen kring den tidigare ledaren och premiärministern Nawaz Sharif, som för några veckor sedan dömdes för korruption, har skakat partiet. Dess kampanj har sedan dess i stället letts av Nawaz Sharifs bror Shahbaz Sharif.
Skandalen har gett ytterligare skjuts åt Imran Khan och PTI. Khan har gått till val på storslagna löften som att utrota korruptionen, ta tag i miljöproblem och bygga en välfärdsstat enligt islamiska principer.
Regeringspartiets andra utmanare, partiet PPP, har halkat efter under valspurten – men kan få en viktig roll som vågmästare i parlamentet.
Av Pakistans runt 207 miljoner invånare är omkring 106 miljoner registrerade som röstberättigade.
Bakgrund: Partierna i parlamentsvalet
I valet i Pakistan den 25 juli står alla de 342 platserna i nationalförsamlingen på spel. Det finns ett stort antal småpartier men maktkampen kommer sannolikt att stå mellan de tre stora:
Muslimska förbundet (PML): Konservativt parti som ledde självständighetsrörelsen och står militären nära. Förhållandevis USA-vänligt. Har flera gånger splittrats, den största fraktionen är PML-N, som vann det förra valet 2013. PML-N leddes av Nawaz Sharif, som i och med valsegern blev premiärminister. Han tvingades dock att avgå förra sommaren efter korruptionsanklagelser som kommit fram i Panamadokumenten och dömdes till fängelse i början av juli i år. Partiet leds nu av hans bror, Shehbaz Sharif. Symbol: tiger.
Lätt vänsterinriktade Pakistanska folkpartiet (PPP): Ursprungligen ett socialistiskt och nationalistiskt parti som har rört sig mot den politiska mitten. Grundades på 1960-talet av Zulfikar Ali Bhutto. När denne avrättades tog dottern Benazir Bhutto över. Hon mördades under valkampanjen 2007 och nu är hennes och expresident Asif Ali Zardaris son Bilawal Bhutto Zardari ordförande. Han var för ung för att kandidera till parlamentet vid det förra valet men ställer upp i år, 29 år gammal. Symbol: pilbåge.
Pakistans rörelse för rättvisa (PTI): Brukar beskrivas som en sociopolitisk rörelse, ett mittenparti som kämpar mot korruption och vill se utbildningsmöjligheter för alla. Viss populistisk framtoning, lockar många unga. Grundaren och ledare Imran Khan har varit starkt kritisk mot USA och dess drönarkrigföring. Symbol: cricketslagträ.
