Ministrarna har sagt att det skulle vara fel att ge en garanti utan en liknande överenskommelse för britter utomlands, vilket de säger att de kommer att söka i Brexit-förhandlingarna.
Men de allmänna stödde en Labour motion som krävde en omprövning med 245 röster mot två, eftersom regeringsparlamentsledamöter till stor del avstod från att rösta.
Ledande Leave-kämpen Boris Johnson var bland flera Tory-rebeller som röstade emot regeringen.
Regeringen hade försökt undvika en Commons omröstning eftersom nederlag verkade troligt - men Labour tvingade en splittring efter sin opposition dag debatt.
Förslaget är inte bindande för regeringen, men det fungerar som en signal om parlamentsledamöternas åsikter i frågan.
John Johnson stödde Labours uppmaning till ministrarna att "bekymra sig om" att ge de uppskattningsvis tre miljoner EU-medborgarna i Förenade kungariket rätt att stanna kvar efter det att landet har lämnat EU.
Han sade till parlamentsledamöterna: "Jag skulle vilja konstatera att det otaliga gånger i kampanjen för att lämna rösten gav exakt denna försäkran till människor från andra EU-länder som bor och arbetar här, och det är en stor besvikelse att detta ifrågasätts.
"Den anser att det är helt rätt att ge EU-medborgare i detta land den starkaste möjliga försäkran, inte bara av moraliska eller humanitära skäl, utan också av mycket, mycket sunda ekonomiska skäl.
"De är välkomna, de är nödvändiga, de är en viktig del av vårt samhälle och jag kommer passionerat att rösta för detta förslag i kväll."
Home Secretary Theresa May, som stödde att stanna kvar i EU, har kritiserats - även av många konservativa parlamentsledamöter - för att inte garantera EU-medborgare redan i Storbritannien rätten att stanna kvar.
Hon har sagt att frågan kommer att spela en roll i förhandlingarna med EU, eftersom Förenade kungariket kartlägger sitt tillbakadragande.
Shadow Home sekreterare Andy Burnham anklagade fru May för att använda EU-medborgare som "bargeining chips".
Han hävdade att May försökte "woo" konservativa partimedlemmar i hennes försök att bli nästa ledare och premiärminister.
Burnham kritiserade sin frånvaro från debatten och anklagade May för att ha "avvikit från ledarskapet".
Men invandringsminister James Brokenshire - som kritiserades av parlamentsledamöter över hela det politiska spektrumet över regeringens ståndpunkt - avvisade påståendet att den behandlade EU-medborgare som "plundringschips".
"I det tillvägagångssätt regeringen intar och de avtal vi sluter kommer vi aldrig att behandla EU-medborgare som brickor i något slags cyniskt förhandlingsschack."
Han sade att regeringens mål var att säkra ett "rättvist avtal" för EU-medborgare i Storbritannien och britterna som bor utomlands i andra europeiska länder.
I ett uttalande på onsdag kväll efter den allmänna omröstningen sade Burnham att parlamentsledamöternas beslut var "en seger för sunt förnuft och anständighet".
"Med detta kraftfulla resultat är det omöjligt att se hur regeringen nu kan vända vad som är underhusets tydliga vilja.
"Theresa May bör godkänna kammarens beslut och utan dröjsmål bekräfta EU-medborgarnas rättsliga ställning", tillade han.
Parlamentsledamöterna har utövat påtryckningar på regeringen för att garantera EU-medborgare bosatta i Storbritannien rätten att stanna kvar efter Brexit.