Unite fackmedlemmar baserade på anläggningar i Cowley, Goodwood, nära Chichester, Hams Hall i West Midlands och Swindon, tackade nej till erbjudandet med 56,6%.
Arbetstagarna har redan iscensatt fyra avgångar under tvisten, som handlar om nedläggningen av ett slutgiltigt pensionssystem.
BMW sa att erbjudandet var "rättvist" och det blev besviken på valresultatet.
Företrädarna för Unite kommer att träffas på tisdag för att diskutera nästa steg i tvisten, som har sett de första strejkerna någonsin av företagets brittiska anställda.
Tre 24-timmarsstrejker som planerades i maj avbröts medan arbetarna övervägde erbjudandet, vilket facket inte rekommenderade till sina medlemmar.
Unite nationalofficer Fred Hanna sade: " Det är tydligt att det inte gick tillräckligt långt eller tog itu med den oro många av våra medlemmar har över BMW:s pensionsplaner.
"Vi vill uppmana BMW chefer att reflektera över resultatet och lyssna på arbetskraften genom att ytterligare engagera sig i meningsfulla samtal med Unite."
En talesman för BMW sade: " Vi överväger nu följderna av valresultatet, och vi kommer att träffa facket i sinom tid för att diskutera nästa steg.
"Vi anser att erbjudandet, som var resultatet av långa förhandlingar med facket sedan september förra året, var rättvist.
"Den har utformats för att förbättra konkurrenskraften, vilket ligger i alla våra medarbetares långsiktiga intresse i framtiden."
Arbetstagare på biljätten BMW har röstat för att avvisa ett erbjudande som syftar till att lösa en långvarig tvist om pensioner.