"De åtgärder som EU-myndigheter vidtog innan avtalen slöts kan inte ses som att man säkrade sig tillstånd från folket i Västsahara", heter det bland annat i ett pressmeddelande från domstolen.
Ogiltigförklarandet skjuts dock upp i åtminstone två månader, för att inte skada EU:s internationella åtaganden. Därmed ges också tid för överklagande.
Olika EU-avtal med Marocko har genom åren varit omstridda med anledning av Västsahara. Onsdagens utslag kommer efter överklagande från självständighetsrörelsen Polisario.
EU och Marocko ska nu agera gemensamt "för att säkra ett juridiskt ramverk som garanterar fortsatta stabila handelsrelationer", säger EU:s utrikeschef Josef Borrell och Marockos utrikesminister Nasser Bourita i ett uttalande, enligt nyhetsbyrån AFP.
Rättad: I en tidigare version angavs fel veckodag för utslaget.