Omröstningen utföll med 33 röster för en EU-ansökan och 28 emot. Två ledamöter avstod från att rösta.
Ansökan redan i juli
Därmed kan Island lämna in sin medlemsansökan redan nu i juli.
Statsminister Johanna Sigurdardottir har tidigare uttryckt sin förhoppning om att kunna överlämna en isländsk EU-ansökan vid EU:s utrikesministermöte i Bryssel den 27 juli.
När Island så småningom har godkänts av övriga EU får en folkomröstning avgöra om landet verkligen ska ansluta sig till Europeiska unionen. Förhandlingarna väntas pågå i flera år.
Viktigaste omröstningen
Jóhanna Sigurdardóttir sade efter omröstningen att detta var den förmodligen mest historiska voteringen i alltingets historia sedan republikens grundande.
Omröstningsresultatet var ingalunda givet på förhand, trots statsministerns energiska argumenterande. Bland dem som röstade nej fanns enligt nyhetsbyrån AFP fem medlemmar av det mindre regeringspartiet Gröna vänstern, bland dem jordbruks- och fiskeminister Jon Bjarnason.
Krisen väckte frågan
Det var sedan finanskrisen fått den isländska ekonomin att närmast kollapsa som planerna på att söka medlemskap kom upp. De har drivits av den nya rödgröna regering som tillträdde i höstas under Johanna Sigurdardottis ledning.
Flera partier är splittrade i EU-frågan – liksom allmänheten. En opinionsundersökning i maj visade att ja- och nej-sidorna för ett EU-medlemskap är ungefär lika stora, även om en klar majoritet, 61 procent, sade sig i allmänhet positivt inställda till EU.
Reinfeldt välkomnar
”Jag välkomnar att det isländska alltinget nu beslutat sig för att ansöka om EU-medlemskap. Ansökan kommer att behandlas enligt rådets etablerade procedurer”, säger statsminister Fredrik Reinfeldt i en kommentar till att Island beslutat sig för att ansöka om EU-medlemskap.