– Den politiska situationen ledde fram till det här beslutet, sade Mattarella i ett kort tv-tal rapporterar AFP.
Presidentkansliet meddelade senare att valet kommer att hållas den 25 september.
Draghi får nu leda en expeditionsregering tills en ny regeringskoalition kan träda in. Men det kan dröja. Efter valet 2018 tog det 90 dagar innan en ny regering kunde tillträda.
Fick ovationer
Premiärminister Draghi fick stående ovationer av många av de 630 ledamöterna när han talade till det italienska parlamentets underhus i Rom på torsdagsmorgonen.
Och det var inte utan känslor som 74-årige Draghi tog emot de långa applåderna.
– Ibland slår även centralbankirers hjärtan, skämtade den tidigare ECB- och centralbankschefen.
Senare under förmiddagen bekräftade presidentkansliet att Draghi lämnat in sin avskedsansökan. Mattarella har bett Draghi, som styrt landet i 17 månader, att tills vidare stanna kvar som ledare för en övergångsregering.
Käbblande regering
Draghis besked kommer efter att premiärministern inför onsdagens förtroendeomröstning förgäves försökte samla sin käbblande koalition.
– Är ni redo? Är ni redo att återuppbygga det här samarbetet? Är ni redo? dundrade Draghi i senaten.
Med en haltande ekonomi, stigande inflation och ett krig i Ukraina är det knappast läge för ytterligare politisk turbulens, var premiärministerns budskap till sina koalitionspartier. Men Lega, Forza Italia och Femstjärnerörelsen valde att lägga ner sina röster – och utan något tydligt stöd från dem blev en fortsättning på samarbetet ohållbar.
"Dårskap"
Det enda större parti i regeringskoalitionen som ställde sig bakom Draghi i omröstningen var socialdemokratiska Demokratiska partiet. Dess ledare Enrico Letta har uttryckt stor besvikelse över de andra partiernas agerande.
Han noterar syrligt att flera av de ledamöter som applåderade Draghi under torsdagen medverkat till hans fall.
– Det mest groteska var krokodil-applåderna i kammaren, säger Letta enligt nyhetsbyrån Ansa.
Dagstidningarna La Repubblica och La Stampa kommenterade den framtvingade avgången med förstasidesrubrikerna "Italien förått" och "Skam". Opinionsundersökningar pekar på att de flesta italienare hade velat att Draghi skulle stanna kvar som premiärminister fram till det planerade ordinarie valet i maj nästa år.
Enligt de senaste mätningarna är det dock en ytterhögerallians ledd av det postfascistiska partiet Italiens bröder som har mest att vinna på ett nyval.
Bråk om stödpaket
Regeringskrisen utlöstes då Femstjärnerörelsen (M5S) i förra veckan satte sig på tvären inför en förtroendeomröstning kopplad till ett stimulanspaket, som partiet bland annat ansåg innehöll för lite stöd till ekonomiskt pressade italienare.
Paketet godkändes med stor majoritet men M5S valde att bojkotta omröstningen i en trotsig markering mot regeringssamarbetet.
Agerandet fick premiärministern att meddela sin avgång då han ansåg att stödet för honom nu var för svajigt.
Men president Sergio Mattarella vägrade acceptera Draghis avskedsansökan och frågan sköts alltså i stället vidare till parlamentet och onsdagens förtroendeomröstning.