Avtalet, klart vid tretiden natten till söndagen, kom efter decennier med åtskilliga misslyckade diplomatiska försök. Det innebär att Iran stoppar utveckling av delar av sitt kärnteknikprogram i utbyte mot begränsade lättnader i sanktionerna. Bland annat ska uppgörelsen "neutralisera Irans lager av nästan 20-procentigt uran", en renhet som krävs för att utveckla kärnvapen. Vita huset uppgav också att all urananrikning med en renhetsgrad över fem procent stoppas.
USA:s president Barack Obama sade i ett uttalande, som han läste upp inför en skog av kameror från Vita huset, att avtalet medför att inga nya sanktioner får läggas på Iran under de närmaste sex månaderna.
Från Teheran hyllade Irans president Hassan Rohani överenskommelsen med USA, Kina, Ryssland, Frankrike, Tyskland och Storbritannien.
"Konstruktivt engagemang (genom) outtröttliga kraftansträngningar av förhandlingsgrupper kommer att öppna nya horisonter", hette det på presidentens officiella Twitterkonto.
Rohani såg avtalet som möjlig på grund av "iranska folkets röst för måttlighet", vilket syftar på hans överraskande seger i valet i juni.