De nya bestämmelserna - som tillåter borrning utanför de skyddade områdena - godkändes av 298 till 261.
Oppositionspartier och kampanjdeltagare kritiserade avsaknaden av en allmän debatt - och anklagade ministrarna för en u-sväng som de tidigare lovat ett direkt förbud mot fracking i nationalparker.
Regeringen sade att dess planer skulle skydda "vår mest värdefulla landskap".
Energiminister Andrea Leadsom sade också att det redan hade varit "enorm debatt" i frågan.
Parlamentsledamöterna avvisade överväldigande nog ett försök att avbryta borrningen efter skiffergas i en allmän omröstning i januari, där ministrarna också lovade ett "rättvist förbud" mot fracking i nationalparker.
Labour har sagt att regeringens planer, som finns i ett förslag till förordning, utgör en vändning mot detta åtagande och krävde starkare garantier.
Förslagen, som först lades fram i juli, skulle bara tillåta att 1 200 meter under nationalparker, områden med enastående nationell skönhet, Norfolk och Suffolk Broads och världsarv.
Borrriggarna måste placeras utanför de skyddade områdenas gränser.
Vad är fracking?
Områden av särskilt vetenskapligt intresse, som är avsedda att skydda vilda djur och växter eller geologi, nämns inte.
Parlamentsledamöterna motsatte sig antagandet av förslaget till förordning när det lästes upp i underhuset på tisdag kväll. Eftersom detta skedde efter det att dagens viktigaste angelägenheter hade avslutats, krävde parlamentets regler att omröstningen skulle skjutas upp - till onsdag.
Under denna process med så kallade uppskjutna avdelningar röstade parlamentsledamoten om förslaget genom att fylla i röstsedlar med det resultat som senare meddelades av vice talman Natascha Engel.
Skuggenergiminister Lisa Nandy anklagade ministrarna för att använda en "parlamentarisk bakdörr" för att försöka godkänna de "svaga reglerna" utan debatt.
Hon sade: "Fracking bör inte fortsätta i Storbritannien förrän starkare skydd finns för att skydda dricksvattenkällor och känsliga delar av vår landsbygd som nationalparker."
Rösten för att tillåta fracking under nationalparker är det senaste steget i den politiska kampen om borrning efter skiffergas, skriver BBC politisk reporter Tom Moseley.
Parlamentsledamöter röstade i januari för att fortsätta med fracking, och David Cameron förklarade förra året Storbritannien gick "all out" för skiffergas - men det är fortfarande en kontroversiell fråga i Commons.
Detta gäller särskilt för parlamentsledamöter - däribland många konservativa - som ställs inför fracking och högljudda anti-frackingkampanjer i sina valkretsar.
I januari sade regeringen att det skulle finnas ett direkt förbud mot fracking i skyddade områden. Men det var under Tory/Lib Dem koalitionen, och i juli den nya konservativa administrationen presenterade nya riktlinjer som tillåter borrning minst 1.200m under jord.
Detta var de bestämmelser som godkändes i dagens uppskjutna uppdelning - vilket gav upphov till anklagelser om en U-sväng från Labour, som vill ha ett moratorium för fracking tills "vi kan vara säkra på att det är säkert".
Fyra Tories röstade emot regeringen inklusive London Mayoral kandidat och miljökämpe Zac Goldsmith och Sarah Wollaston, vars Totnes säte inkluderar Dartmoor nationalpark.
Liberaldemokratisk ledare Tim Farron sade att regeringen hade visat "fullständig brist på respekt för skyddet av några av de vackraste landskapen i Storbritannien och dess vilda djur", medan Greenpeace kritiserade användningen av vad den kallade en "arcane parlamentarisk process".
Rose Dickinson, av jordens vänner, sade att de nya reglerna skulle sätta dricksvatten och nationalparker "i riskzonen" och representerade "en fullständig U-sväng på tidigare löften".
Ingen fracking pågår för närvarande i Storbritannien, men detaljer om platser där borrning sannolikt kommer att äga rum förväntas på onsdag.
Mer än 100 platser, på 10 km tvärs över, förväntas beviljas licenser, varav de flesta i norra England.
Leadsom sade att det var "rubbiskt" att säga att regeringen hade försökt "smyga in" de nya reglerna.
Som svar på kritik från miljökämpar, sade hon att övergången från kol till gas var en "hygge decarbonisation win", tillägger att skiffergas kan förbättra energitryggheten, samt skapa "tusentals arbetstillfällen" och "miljarder till statskassan".
Ett Department of Energy and Climate Change talesman tillade: "Storbritannien har en av de bästa spåren i världen för att skydda vår miljö och samtidigt utveckla våra industrier - dessa regler kommer att få denna viktiga industri att röra sig samtidigt skydda vår miljö och våra människor."
Parlamentsledamöterna har röstat för att tillåta fracking för skiffergas 1200 meter under nationalparker och andra skyddade platser.