Sein Gegner, Ex-Ministerpräsident Binali Yildirim von der AKP, kam auf rund 45 Prozent. Dieser gestand seine Niederlage ein. Präsident Recep Tayyip Erdogan gratulierte Imamoglu.
Der Oppositionspolitiker bezeichnete seinen Sieg als Neuanfang für die Türkei und als Stärkung der Demokratie.
In Istanbul sind am Sonntagabend viele Türken zu spontanen Feiern auf die Straße gegangen. Viele schwenkten türkische Flaggen, Autokorsos fuhren durch die Stadt.
Bei der ersten Abstimmung Ende März hatte Erdogans Regierungspartei AKP Unregelmäßigkeiten beklagt.
dpa/jp