PP:s partiledaren Alberto Núñez Feijóo lade fram ett regeringsunderlag sedan hans parti fick flest röster i valet den 23 juli. Men högern saknade nödvändig majoritet.
Núñez Feijóos regeringsförslag fick 172 rösters stöd – det krävdes 176 ja-röster. 178 parlamentsledamöter röstade emot.
Ett andra försök, då det räcker med att få fler ja- än nej-röster, väntas på fredag. Även det försöket ser ut att misslyckas. I så fall får ledaren för Socialisterna PSOE, Pedro Sánchez, göra ett försök. Även han saknar majoritet och kan tvingas vända sig till separatistpartier för nödvändigt stöd.
Onsdagens omröstning satte i gång en tickande tidsfrist på två månader för nytt val i Spanien om ingen regering får parlamentets stöd.