Nur 124 Abgeordnete stimmten für Sánchez, 170 votierten gegen ihn, 52 enthielten sich, vier Abgeordnete fehlten. Im ersten Wahlgang hätte der sozialistische Regierungschef eine absolute Mehrheit von 176 Stimmen erreichen müssen.
Gemäß der Verfassung wird am Donnerstag eine zweite Wahlrunde stattfinden. Dann genügt Sánchez eine einfache Mehrheit. Um die zu bekommen, sind die Sozialisten auf die Unterstützung anderer Gruppierungen angewiesen - allen voran des linken Bündnisses Unidas Podemos (UP).
Sollte Sánchez am Donnerstag erneut scheitern, beginnt der Countdown. Wenn innerhalb von zwei Monaten keine neue Regierung steht, muss König Felipe am 24. September eine Neuwahl ansetzen.
dpa/mh