Europeiska unionens tribunal sade att det fanns "interna inkonsekvenser" i kommissionens beslut 2010.
Av företagen ålades Air France det största beloppet -182,9 miljoner euro - medan KLM bötfälldes 127,2 miljoner euro.
De två lufttrafikföretagen slogs samman 2004 för att bilda Air France-KLM.
Andra berörda flygbolag var Air Canada, Martinair, British Airways, Cargolux, Cathay Pacific Airways, Japan Airlines, LAN Chile, Qantas, SAS och Singapore Airlines.
Lufthansa undkom en sanktion efter att ha lämnat information till kommissionen.
Domstolen sade att Europeiska kommissionen inte hade varit tillräckligt tydlig när det gällde att visa att lufttrafikföretagen hade gjort sig skyldiga till en "entydig och kontinuerlig överträdelse".
I stället hade kommissionen konstaterat fyra överträdelser som den direkt hade tillskrivit lufttrafikföretagen på vissa linjer, sade domstolen.
"Intern inkonsekvens" i beslutet skulle kunna kränka flygbolagets rätt till försvar, tillade domstolen.
Några av lufttrafikföretagen hade sagt att beslutet "inte tillät dem att fastställa arten och omfattningen av den överträdelse eller de överträdelser som de påstods ha begåtts".
EU:s näst högsta domstol har stött en utmaning från 11 flygbolag mot en avgift på 800 miljoner euro (583 miljoner pund) från Europeiska kommissionens fraktkartell.