– Oro och en politisk kris har lett till att många förlorat sina liv och många har tvingats på flykt, sade Desalegn i ett tv-sänt tal till nationen.
– Jag ser min avgång som avgörande för att genomföra reformer som leder till en hållbar fred och demokrati.
De senaste åren har hundratals människor har dött i våldsamheter i Etiopien. Tidigare i år inleddes en fängelseamnesti och tusentals fångar, däribland flera oppositionspolitiker, har frigetts för att lätta på det spända läget.
Desalegn säger att han sitter kvar som premiärminister tills det styrande partiet EPRDF och landets parlament har accepterat hans avgång och utsett en ny premiärminister.
Hailemariam Desalegn har varit Etiopiens premiärminister sedan augusti 2012, då hans företrädare Meles Zenawis hastigt avled.