Sanchez danner dermed en mindretallsregjering med det venstreorienterte partiet Unidas Podemos. Det betyr slutten på en flere måneder lang dødperiode i spansk politikk.
Den nye regjeringen er Spanias første koalisjonsregjering siden demokratiet ble gjeninnført på 1970-tallet.
167 av de 350 representantene i nasjonalforsamlingen sa ja til regjeringsdannelsen. 165 sa nei, mens 18 avsto fra å stemme.
I den første avstemningen søndag lyktes ikke Sanchez. Da trengte han minst 176 stemmer for å kunne fortsette som statsminister.
I tirsdagens avstemning holdt det imidlertid med simpelt flertall, noe det på forhånd var ventet at han ville få etter at han inngikk en avtale med det katalanske partiet ERC.
Sanchez hadde også sikret seg støtte fra det baskiske nasjonalistpartiet PNV.