Sánchez hade behövt absolut majoritet men siffrorna blev 219- 130. Resultatet var väntat och nu väntar ytterligare en omröstning om några dagar.
Sánchez socialistparti (PSOE) blev andra största parti i valet den 20 december.
Frågan om att bilda regering gick till PSOE-ledaren efter det att konservativa Partido Populars ledare (PP), den nu tillförordnade premiärministern Mariano Rajoy, avstått från att försöka bilda regering med motiveringen att han inte hade tillräckligt stort stöd.
Både PP och vänsterpartiet Podemos hade före kvällens omröstning förklarat att man skulle rösta nej.
Podemos bröt med PSOE sedan Sánchez nyligen valt att försöka bilda regering med mittenpartiet Ciudadanos.
Nu väntar en ny omröstning på fredag, men ingenting tyder på att PSOE och Pedro Sánchez vinner den. Därmed pekar det mesta på nyval - sannolikt den 26 juni enligt nyhetsbyrån AFP.