Merkel kan nu bilda sin fjärde regering och ominstalleras som förbundskansler den 14 mars. Ett nej hade kunnat innebära nyval, fortsatta förhandlingar eller en minoritetsregering i EU:s största land och viktigaste ekonomi.
Tillförordnade SPD-ordföranden Olaf Scholz konstaterar att "en stor majoritet av SPD:s medlemmar följde partiledningens förslag".
Ja-sidan fick 66 procent. Cirka 464000 partimedlemmar hade rätt att delta i omröstningen. Valdeltagandet var 78 procent.
- Nu har vi klarhet: SPD kommer att ansluta sig till nästa tyska regering, sade Scholz i partihögkvarteret i Berlin.
Inget blir lätt
Merkel hälsade via sitt parti CDU:s Twitterkonto: "Jag gratulerar SPD till detta tydliga resultat och ser fram emot att fortsätta samarbetet för vårt lands bästa."
Det satt långt inne att hitta en regeringslösning. Fast nu börjar de verkliga svårigheterna, spår Karl Christian Lammers, lektor emeritus vid Köpenhamns universitet.
- Problemen är inte över för partierna, säger han till nyhetsbyrån Ritzau och pekar på att SPD rodde hem de tunga posterna finans- respektive utrikesminister.
- Angela Merkel måste med sorg inse att SPD har finansdepartementet och därmed en mycket stark position i förhållande till den ekonomiska politik som förbundsrepubliken vill föra.
- Jag är helt säker på att SPD kommer att ta för sig mer i regeringen än vad partiet gjort hittills, säger Lammers.
Svagare sits
En annan faktor som ökar påfrestningarna för Merkel är att den nya storkoalitionen får en avsevärt svagare majoritet den här mandatperioden, med 399 av 709 mandat i förbundsdagen. I valet 2013 fick CDU och PSD 504 mandat ihop.
Dessutom hörs inte bara lovsång inifrån SPD. "Kritiken mot GroKo kvarstår", twittrade Kevin Kühnert, ordföranden i Socialdemokraternas ungdomsförbund Jusos, och högprofilerad motståndare till koalitionsplanerna.
Även om det blev en betryggande majoritet för en koalition bekräftar omröstningen att entusiasmen inom SPD är mindre än tidigare. I en liknande situation 2013 röstade 76 procent av medlemmarna för regeringssamverkan med CDU, noterar tyska medier.
(S)plittring syns
SPD planerade att gå i opposition efter sitt dåliga valresultat 2017, men hoppade in i nya regeringsförhandlingar sedan Merkel misslyckats med att bilda regering tillsammans med liberala FDP och De gröna.
Nu anser sig SPD-ledningen ha nått högsta möjliga utdelning i förhandlingarna med CDU genom att få såväl finans- som utrikesministerposterna.
Men de yngre medlemmarna är överlag mer kritiska och fruktar att SPD ska uppslukas i en storkoalitions oundvikliga kompromissande och hamna i Merkels skugga.
Sverige gläds
Utrikesminister Margot Wallström (S) välkomnar resultatet av SPD:s omröstning i ett uttalande: "Tyskland är en av Sveriges närmaste partner och jag ser fram emot att den nya regeringen tillträder."
EU- och handelsminister Ann Linde (S) gläds också åt en "stabil, rejäl och ansvarstagande regering i Tyskland".
- Det är viktigt för Tyskland naturligtvis men det är också väldigt viktigt för EU, säger hon till TT.
Koalitionen gör att extrema krafter nekas inflytande – läs: det högerpopulistiska och främlingsfientliga partiet Alternativ för Tyskland (AFD) som gick fram starkt i höstens val – och att Tyskland nu kan skicka ordinarie, beslutsförmögna regeringsföreträdare till möten i EU:s ministerråd. Det är inte minst viktigt när en handelskonflikt med USA är under uppsegling om bland annat ståltullar, resonerar Linde.