174 ledamöter röstade för att avsätta Imran Khan, två fler än vad som krävdes, säger talmannen Sardar Ayaz Sadiq.
Misstroendeförklaringen kommer efter en orolig vecka i pakistansk politik. Efter det att rapporter kommit om att oppositionen i landet enats om att förklara sitt misstroende för Khan beslutade han att upplösa parlamentet och utropa nyval.
Men 69-åringens desperata drag ogiltigförklarades i torsdags av Högsta domstolen i Pakistan, som slog fast att det var olagligt. Efter en utdragen process genomfördes till slut voteringen under lördagskvällen, svensk tid, varpå Khan avsattes.
Den tidigare cricketstjärnan Imran Khan kom till makten 2018, men har inte lyckats leva upp till vallöften om att en ekonomisk guldålder väntar med honom som premiärminister.
Politiken i Pakistan är notoriskt turbulent och ingen premiärminister har någonsin suttit kvar en hel mandatperiod. Imran Khan är den förste att avsättas efter en misstroendevotering.
Det är oklart när en ny premiärminister kan utses. Oppositionsledaren Shebbaz Sharif är favorit att ta över efter Imran Khan.