En dödlig fosteravvikelse diagnos innebär att läkare tror att ett ofött barn har en terminal sjukdom och kommer att dö i livmodern eller kort efter födseln.
Förslaget att tillåta abort i sådana fall avslogs med 59 röster mot 40.
Resultatet följde på en passionerad debatt i Stormont efter att några MLA föreslog att lagändringen skulle införas genom en ändring av justitielagen.
Till skillnad från andra delar av Förenade kungariket omfattar 1967 års abortlag inte Nordirland.
För närvarande är en uppsägning endast tillåten i Nordirland om en kvinnas liv är i fara eller om det finns risk för permanenta och allvarliga skador på hennes psykiska eller fysiska hälsa.
Politiker har varit lobbyister för att reformera lagen sedan 2013, när Nordirland kvinna Sarah Ewart talade ut om att behöva resa till Storbritannien för en abort efter att hon fick veta att hon bar ett barn som inte hade någon chans att överleva.
Democratic Unionist Party (DUP) ställdes inför kritik från andra partier under onsdagens debatt för att ha bett hälsoministern Simon Hamilton att inrätta en arbetsgrupp för att undersöka de frågor som uppstått till följd av dödliga fosteravvikelser.
Det kan ta sex månader för gruppen att slutföra sitt arbete och Ulster Unionist ledare Mike Nesbitt hävdade att det var en DUP "enhet" att fördröja beslutsfattandet om abort reform till efter maj val.
Justitieminister David Ford, som lade fram den föreslagna ändringen av lagstiftningen, berättade för Radio Ulster's The Nolan Show att den nu kunde förbli i limbo under en tid.
"Det verkar som om det är vad vissa människor vill, att det var någon ursäkt alls att undvika att fatta ett beslut i går kväll så att de kan fudge frågan," sade han.
"Vi får vänta och se vad som händer med DUP:s förmodade arbetsgrupp under de kommande sex månaderna. Visst, vi kommer att få DUP förbi valet, kanske det är därför de gör det. "
DUP har dock hävdat att frågan krävde att MLA och ministrarna tog vederbörlig hänsyn till och att lagförslaget om rättvisa inte var avsett för detta ändamål.
Ändringsförslaget om legalisering av aborter vid dödliga fosteravvikelser föreslogs av Alliance MLA Stewart Dickson.
Han sade till MLA: "Om vi ska fortsätta att svika kvinnor i Nordirland på detta område så avsäger vi oss våra skyldigheter som representanter.
"Den traumatiska resan till England för många unga kvinnor börjar bli en skam på Nordirland och att tvinga kvinnor med dödlig fostergraviditet att leta någon annanstans efter hjälp och stöd gör detta värre."
Ändringsförslaget om graviditeter som är ett resultat av våldtäkt eller incest lades fram av Anna Lo, även av Alliansen, och avslogs med 64 röster mot 30.
Nesbitt sade att han som man inte kände sig bekväm med att "diskutera vad en kvinna bör göra med sin kropp", men han tillade att MLA hade ett ansvar att lagstifta.
Han hävdade att DUP:s begäran om en kommission var en fördröjningstaktik utformad för att "kasta beslutet till den avlägsna sidan av valet".
Nesbitt beskrev förseningen som "grym" och "Dickensian".
"Detta är Bleak House vi är i dag, i Chancery domstolarna väntar dag efter dag, efter dag, efter dag för ett beslut som aldrig kommer", sade han.
Sinn Féin MLA Caitríona Ruane kritiserade också DUP för "att stödja en kommission som kommer att rapportera om sex månader".
"Hur är det med den svåra situationen för kvinnor här och nu? Hur förhåller det sig då med de kvinnor som är gravida till följd av våldtäkt, eller med kvinnor som drabbas av dödliga fosteravvikelser?
"Kommer DUP att säga till dem 'vi har en provision om sex månader och säkert, då får vi se vart är på väg?'  Jag är ledsen, långfinger detta gör en otjänst för kvinnor, "Miss Ruane sade.
Socialdemokratiska partiet och Labourpartiet (SDLP) MLA uttryckte dock tvivel om att läkare korrekt kunde förutsäga att ett ofött barn inte hade någon chans att överleva.
SDLP MLA Dolores Kelly sa att kliniker hade sagt till hennes parti att "det inte finns någon sådan definition" som dödlig fosteronormalitet.
Oberoende av sitt parti föreslog Alliance MLA Anna Lo att kvinnor som har blivit gravida till följd av sexualbrott skulle ha tillgång till en laglig abort i Nordirland.
Lo sade att tvingandet av gravida våldtäktsoffer att föda innebar att de skulle bli "förändrade varje dag av den våldshandling som påtvingades henne".
Den traditionella fackföreningsledaren Jim Allister beskrev dock Los ändringsförslag som en "bok för abort på begäran".
Han sade att på grund av sin bakgrund som advokat hade han mer erfarenhet än de flesta MLAs av våldtäkt rättegångar och tillade att "95% av tiden, frågan för juryn är - var samlag samförstånd eller inte?"
"Allt du behöver göra är att hävda oanständig misshandel verkar det, våldtäkt, och du har rätt på en läkares nick till abort," sade han.
Allister berättade för MLA att anklagelser om våldtäkt bara kunde bevisas genom "due process" och detta var inte möjligt inom graviditetens tidsram.
DUP MLA Emma Pengelly talade till stöd för arbetsgruppen för dödliga fosteravvikelser.
"Jag har inte haft det vackra privilegiet att ha fört ett barn till denna värld, men jag kan känna med hela mitt hjärta att de önskade, de efterlängtade, kan vända sig så snabbt till tragedi," sade hon.
"Den väg framåt som vi föreslår är en medlidsam en, det är en vettig en, det är en sunt förnuft en som kommer att lämna oss alla i en mycket bättre och välinformerad position att kartlägga en kärleksfull och vänlig väg framåt."
I slutet av debatten lovordade plenarförsamlingens talman Mitchel McLaughlin MLA för den "känsla för värdighet" som de visade under diskussionerna.
Stormonts chefsjurist, justitieminister John Larkin QC, är bland dem som motsätter sig att lagen ändras och har framfört farhågor om att flytten skulle kunna bryta mot skyldigheter enligt FN:s konvention om rättigheter för personer med funktionsnedsättning (UNCRPD).
Precious Life, en av de största pro life organisationerna i regionen lovade att "exponera" alla MLA som röstade för den nya lagstiftningen.
Amnesty International sade att underlåtenhet att reformera lagen skulle vara ett "förräderi av kvinnor", medan Nordirlands kommission för mänskliga rättigheter uppmanade till politiska åtgärder.
Nordirlands ledamöter i församlingen har röstat emot legalisering av aborter vid fall av fatala fosteravvikelser.