Lagförslaget fick 303 röster, vilket är 77 fler än vad som krävs för att det skulle gå igenom. Bara åtta parlamentariker röstade emot.
Den forna sovjetstatens status som neutral och icke-allierad antogs under påtryckningar från Ryssland 2010. Att den överges är en förutsättning för att Ukraina ska kunna ansluta sig till någon militärallians.
Ryssland: ”Ovänligt steg”
President Petro Porosjenko har sagt att han vill ansöka om medlemskap i Nato eftersom Ryssland hotar Ukrainas territoriala integritet.
Moskva var snabbt med att göra tumme ner. Ukrainas positionering gentemot Nato är ett ”ovänligt steg” och Rysslands gensvar är negativt, säger landets sändebud till säkerhetsorganisationen OSSE enligt nyhetsbyrån Interfax.