Parlamentets talman Martin Schulz uppmanade den saudiske kungen Salman att "befria honom, så att han kan ta emot priset".
Mr Badawi dömdes till 10 år i fängelse och 1000 piskrapp i Saudiarabien för att ha "angripit islam".
Tidigare denna månad vann han också Pen Pinter-priset för att förfäkta yttrandefriheten.
Europaparlamentet har sedan 1988 delat ut Sacharovpriset för tankefrihet till enskilda eller organisationer för deras bidrag till kampen för mänskliga rättigheter och demokrati.
Den är uppkallad efter den sovjetiska vetenskapsmannen och dissidenten Andrej Sacharov.
Badawi, författare till webbplatsen Free Saudi Liberals, dömdes 2012 för att ha förolämpat islam och dömdes till böter på 175 000 pund.
Han fick de första 50 piskrappen av sitt straff i januari, men efterföljande piskningar har skjutits upp.
I juni bekräftade Saudiarabiens högsta domstol domen trots ett utländskt skrik.
"Den här mannen, som är en mycket god man, en exemplarisk man, har ålagt honom ett av de mest fruktansvärda straffen", sade Martin Schulz till en fullsatt Europaparlamentsförsamling i Strasbourg i Frankrike.
"Jag uppmanar den saudiska kungen att omedelbart befria honom. Relationerna är beroende av att de mänskliga rättigheterna respekteras av våra partner... de inte bara respekteras utan trampas under fötterna."
Guy Verhofstadt, ledare för Europaparlamentets liberala block, sade: "Europaparlamentet har i dag sänt ett starkt politiskt och humanitärt budskap till de saudiska myndigheterna."
Badawis fru Ensaf Haidar, som nu bor i Kanada med sina barn, sade att priset var ett "budskap om hopp och mod".
"Jag tackar Europaparlamentet", berättade hon för AFP:s nyhetsbyrå.
Badawi var en av tre nominerade till årets pris tillsammans med den mördade ryska oppositionsledaren Boris Nemtsov och den venezuelanska oppositionsrörelsen Mesa de la Unidad Democraca.
Tidigare vinnare är Nelson Mandela, Myanmar aktivist Aung San Suu Kyi och Pakistansk utbildningskampanjer Malala Yousafzai.
Saudi-bloggaren Raif Badawi, vars prygelstraff orsakade ett skrik, har tilldelats Europaparlamentets Sacharovpris för mänskliga rättigheter.