Prodi møtte president Giorgio Napolitano i Quirinale-palasset i kveld og fremla ønsket om avskjed.
Presidenten sier i en uttalelse at han venter med å godta eller avvise Prodis avskjedssøknad, inntil han i morgen klokken 10.00 har hatt møte med partiledere og de parlamentariske lederne, opplyser en talsmann for presidenten.
Napolitano har bedt Prodis regjering sitte inntil en avklaring kommer, for å unngå politisk vakum.
Koalisjonsregjeringen tapte i dag en viktig avstemning i Sentatet om landets utenrikspolitikk. Sentatet stemte over utplassering av 1900 soldater til Afghanistan samt utvidelse av en amerikansk base nord i Italia.
Regjeringen ble kalt sammen til et ekstraordinært møte i kveld, og det ble da klart et en avskjedssøknad ville blir fremmet.
Mange avsto
I Sentatet (Overhuset) stemte 158 representanter stemte for regjeringens forslag, 136 mot og 24 avstod fra å stemme. Regjeringen trengte 160 stemmer.
Ni partier deltar i sentrum-venstre-koalisjonen, som inkluderer alt fra moderate katolikker til kommunister. De tre største partiene er Democratici di Sinistra (sosial-demokratene), Margherita (katolske) og Rifondazione Comunista (kommunist-partiet).
Venstrepartier som er med i regjeringen er kritiske til at Italia deltar med soldater i Afghanistan.
Regjeringen stilte ikke kabinettspørsmål før avstemningen, men opposisjonen krevde at den går av. "Gå av, gå av" ropte opposisjonens representanter.
– Det finnes ikke lenger noe flertall. Det finnes ikke lenger noen Prodi-regjering. Prodi-regjeringen har falt i dette kammeret, sa Renato Schifani, som er Forza Italias leder i Senatet.
Forza Italia er partiet til tidligere statsminister Silvio Berlusconi. Han var kjapt ute med å kommentere situasjonen for sin erkerival.
- Utenrikspolitikk omfatter Italias rolle og image i verden og livet til våre soldater i internasjonale fredsoperasjoner, sa Berlusconi, og sa at Prodi var «forpliktet» til å gå av.
Utenriksminister Massimo D'Alema har tidligere sagt at regjeringen burde gå av dersom den fikk flertallet mot seg.
Villig til å fortsette
President Napolitano avbrøt en reise for å være tilgjengelig for møtet med Prodi.
Nå i kveld sier flere partier som deltar i regjeringen at de ønsker at økonomiprofessoren og tidligere EU-kommisjonens leder skal gjenoppnevnes som statsminister.
- Vi er rede til å fornye for fulle tillit til Prodi, sier Dario Franceschini som leder Oliventre-alliansens partier i Deputertkammeret (Underhuset).
Senere uttalte Prodis talsmann at statsministeren var villig til fortsette hvis han fikk støtte fra sentrum-venstre-koalisjonen.
– Prodi anerkjenner at dette er en alvorlig krise, og at han ikke har flertall i Senatet. Han er beredt til å fortsette som statsminister hvis, og bare hvis, han får garanti om full støtte fra alle partiene i flertallet fra nå av, sa Silvio Sircana.
De viktigste partiene i koalisjonen, som strekker seg fra katolikker til kommunister, sa at de ønsket at Prodi skulle fortsette.
Felt av kommunistene før
I 1998 falt Prodis forrige regjering etter to år da Rifondazione Comunista (kommunistpartiet) trakk sin støtte fordi politikken som ble ført var for lite venstreorientert.
Oliventre-alliansen vant for ni måneder siden valget med knapp margin mot Berlusconi og hans partipartnere. De fikk et knapt flertall i Deputertkammeret og to represententer flere i Senatet.
I tillegg til utenrikspolitikken, er det også uenighet i regjeringspartiene om budsjettet samt et lovforslag om rettslig anerkjennelse av homofile par og par som ikke er gift.
