Omröstningen, som följde på den första debatten om EU:s folkomröstningslag, innebär att lagstiftningen går vidare till nästa steg i dess framsteg genom parlamentet.
Utrikesminister Philip Hammond sade att en "generation" hade förnekats ett ord om Storbritanniens plats i Europa, och allmänheten måste nu ha sista ordet.
Parlamentsledamöterna röstade för förslaget med 544 till 53 röster för.
De konservativa och Labour stöder förslaget, men SNP motsätter sig det.
Tidigare röstade parlamentsledamöter för att avvisa ett SNP-ändringsförslag som motsatte sig lagförslaget.
Lagförslaget, som nu har godkänts i sin andra behandling och som därefter kommer att granskas av en parlamentsutskott, har flera steg kvar att gå igenom.
Premiärminister David Cameron, som först lovade en folkomröstning 2013, har lovat att förhandla fram ett "bättre avtal" för Storbritannien i Europa före omröstningen - som ska hållas senast i slutet av 2017.
Filip Hammond sade att en omröstning - som skulle vara den första om Förenade kungarikets förbindelser med Europa sedan 1975 - behövdes för att förnya den demokratiska legitimiteten i Förenade kungarikets förbindelser med det 28-medlemsorgan.
"Vi har haft folkomröstningar om skotsk devolution, folkomröstningar om walesisk devolution, folkomröstningar om vårt valsystem och om en regional församling för nordöst", sade han.
"Men en hel generation brittiska väljare har förnekats chansen att få säga något om våra förbindelser med Europeiska unionen. Och, herr talman, i dag rättar vi till det."
Du behöver inte en doktorsexamen i matematik för att räkna ut detta var en Commons majoritet av ganska mycket.
Med 650 parlamentsledamöter i underhuset är det ganska viktigt att övertala 84 procent av dem att rösta på samma sätt.
Faktum är att ett sådant resultat fördröjdes på grund av längden på köerna för dem som ville stödja idén om en EU-omröstning.
Hur gick det till?
Arbetarna kämpade inför det allmänna valet mot idén om en folkomröstning och sade att det skulle vara destabiliserande. Men efter vad som enligt dem var en ganska destabiliserande utnämning till väljarkåren har de ändrat sig i nederlag.
För vissa är denna omröstning något som de har kämpat för så länge som de har varit i Westminster: ett talesätt för folket på vår plats inom eller utanför Europeiska unionen.
För oss alla är det början på en debatt om hur vi ser på oss själva, vår plats i världen och ett beslut som vi alla ska fatta inom de närmaste två och ett halvt åren.
Filip Hammond tillade: "Vi behöver en grundläggande förändring av Europeiska unionens funktionssätt. Det är nu en union som har ett euroområde med 19 medlemmar som kommer att integreras närmare tillsammans.
"Det måste finnas ett uttryckligt erkännande av dem som inte är en del av denna kärna behöver inte sträva efter en allt fastare union. Det måste finnas ett uttryckligt skydd för dessa länder utanför euroområdet när EU går vidare.
"Vi förväntar oss att kunna förhandla fram ett nytt avtal som kommer att ta itu med det brittiska folkets oro som vi sedan kommer att lägga fram för dem i den utlovade folkomröstningen."
Labour motsatte sig en folkomröstning under den allmänna valkampanjen, men har sedan dess ändrat sig och sagt att det inte kommer att motsätta sig lagförslaget, även om det kommer att försöka göra ett antal förändringar, inklusive franchise.
Skugga utrikesminister Hilary Benn sade att Labourledningen skulle driva en stark kampanj för att Storbritannien skulle förbli en del av EU, i motsats till vad han sade var de blandade signalerna från regeringen.
"Premiärministern är förmodligen för in, men han kan inte säga definitivt han är in eller ut eftersom en hel del av hans riksdagsledamöter är för ut om de inte kan övertalas att vara i," sade han.
"Samtidigt verkar utrikesministern som brukade luta sig ut nu luta sig in, medan andra medlemmar av kabinettet som är ute läsa igår att de skulle vara ute om de inte kampanjade för in.
"Nu verkar det som om de kan vara inne även om de efter allt de förmodligen är ute. In, ut, in, ut, det är EU Tory Hokey Cokey - en fullständig röra."
Tidigare SNP-ledare Alex Salmond, som lade fram SNP-ändringsförslaget mot lagförslaget, sade "ingen trodde" David Cameron ville ta ut Storbritannien ur EU och föreslog att lagförslaget främst var utformat för att blidka Tory backbenchers.
"Det här lagförslaget bygger på nonsens och en motsägelse. Större folkomröstningar om konstitutionen bör hållas på förslag, ärligt talat.
"Premiärministern föreslår att denna folkomröstning ska hållas som en politisk taktik... och det är därför som det redan finns så många misstankar, inte bara bland EU:s motståndare utan bland dem som förespråkar Europa."
David Cameron börjar omförhandla villkoren för Storbritanniens EU-medlemskap inför en folkomröstning. Här är några ytterligare läsning om vad allt betyder:
Frågor och svar: Förenade kungarikets planerade folkomröstning i EU
Storbritannien och EU: Bättre ut eller in?
Vad Storbritannien vill ha från Europa
Tidslinje: EU:s folkomröstningsdebatt
SNP:s Angus Macneil har insisterat på att han inte av misstag röstade för EU:s folkomröstningslag trots att han hamnade i fel lobby.
Under den andra omröstningen gick parlamentsledamoten för västra öarna in i lobbyn Ja, där anhängare till en folkomröstning hade samlats. Men han sa att han drog sig ur utan att rösta när han insåg sitt misstag.
Under en sextimmarsdebatt varnade f.d. förbundskansler Ken Clarke, en av de mest proeuropeiska rösterna i det konservativa partiet, för att Förenade kungariket skulle marginaliseras om landet lämnade EU och potentiellt skulle få tullavgifter på import och export.
"Detta handlar om Storbritanniens roll i den moderna världen, 2000-talets värld av ömsesidigt beroende nationer och hur vi maximerar vårt inflytande genom att använda vår maktbas i Europa. Alternativet är en fantasifull, eskapistisk väg in i isolerad nationalism som jag tror i hög grad kommer att minska vårt inflytande i världen och skada vår ekonomi."
Men han utmanades av den tidigare miljöministern Owen Paterson, som sade att han förvrängde euroskeptikers åsikter.
"Han får verkligen inte blanda ihop idén om Europeiska unionen, som är en politisk och rättslig institution och den europeiska marknaden, som jag är en mycket entusiastisk förespråkare för."
Och veteranen Conservative Sir Bill Cash sa att folkomröstningen var en grundläggande fråga om "vem styr Britannien".
"Vi har ett positivt alternativ till EU", sade han. Vår demokrati och vårt nationella parlament är vad människor kämpade för och dog för i två världskrig, och det var genom detta offer som vi räddade Europa."
Både EU-skeptiker och EU-vänliga parlamentsledamöter har uttryckt oro över regeringens planer på att skrota den 28-dagars "purdah"-perioden inför folkomröstningen.
Purdah förhindrar vanligtvis någon statlig eller offentlig verksamhet som kan påverka resultatet av ett val eller annan omröstning.
Han förklarade att han förstod oron över att en rendahperiod skulle "sluta hälften av regeringens verksamhet" men hoppades att regeringens maskineri inte skulle användas för att ge en sida "en orättvis fördel".
Krzysztof Paterson sade att beslutet att häva reglerna om rendah var "ensidigt och godtyckligt" och att om den brittiska regeringen och Europeiska kommissionen försökte "utgjuta information för allmänheten" kanske folk inte accepterar slutresultatet.
Parlamentsledamöterna har med överväldigande majoritet stött planerna på en folkomröstning om Storbritanniens medlemskap i Europeiska unionen.