Den planerade affären var värd 10,3 miljarder pund och skulle ha lämnat Storbritannien med bara tre stora mobiltelefonoperatörer.
Men Europas konkurrenskommissionär, Margrethe Vestager, sade att hon hade starka farhågor om övertagandet, att det skulle minska kundernas valmöjligheter och höja priserna.
CK Hutchison sa att det överväger en rättslig utmaning till beslutet.
"Målet med EU:s koncentrationskontroll är att se till att slipsar inte försvagar konkurrensen på bekostnad av konsumenter och företag", säger Vestager.
"Vi vill att mobiltelesektorn ska vara konkurrenskraftig, så att konsumenterna kan njuta av innovativa mobila tjänster till rättvisa priser och hög nätkvalitet."
I beslutet fastställdes att de koncessioner som erbjuds av Hutchison, som är baserad i Hongkong och som omfattar en femårig prisfrysning och miljarder pund i investeringar, "inte var tillräckliga för att förhindra" att innovation och utveckling av nätinfrastruktur hämmades.
CK Hutchison svarade på beslutet och sade att förvärvet av O2 från Spaniens Telefonica skulle medföra "stora fördelar för Förenade kungariket inte bara genom att frigöra 10 miljarder pund i privata investeringar i Förenade kungarikets digitala infrastruktur utan också genom att ta itu med landets täckningsfrågor, öka nätkapaciteten, hastigheterna och priskonkurrensen för konsumenterna".
O2 sade att domen hade liten inverkan på deras brittiska verksamhet. "Vi arbetar i en bransch av ständig förändring och har lärt sig att hantera den förändringen bättre än de flesta", sade en O2 talesman.
"Oavsett vad som händer härnäst kommer vi att fortsätta leverera till våra kunder som vi alltid har gjort."
Det var avtalet som skulle bli slutskedet i omformningen av Storbritanniens mobiltelefonmarknad. Men nu har O2/Tre-äktenskapet blockerats av Bryssel, var lämnar det telefonanvändare?
Bättre, enligt tillsynsmyndigheter. Den brittiska kommunikationstillsynsmyndigheten Ofcom hade framför allt hävdat att det oundvikligen skulle leda till högre priser, sämre service eller både och om antalet aktörer på marknaden skulle minska från fyra till tre.
Detta låter övertygande på kort sikt. Men, säger en stor del av telekomindustrin - om man tittar på den långsiktiga hälsan på EU:s mobilmarknad - är dagens drag dåliga nyheter för alla.
För att läsa Rorys analys i sin helhet, klicka här
Kommissionen påpekar att slutkundspriserna i Förenade kungariket för närvarande är bland de lägsta i Europa, med de fyra största nätoperatörerna, inklusive Vodafone och BT:s Everywhere, känd som EE.
Dessa fyra operatörer - som äger infrastruktur som telekommunikationsmaster - har samarbetat för att dela kostnaderna för att utveckla denna infrastruktur. Och det är kollapsen av dessa kostnadsdelningsavtal som allvarligt oroar EU-kommissionen.
Samtidigt Liberty Global - ägaren av Virgin Media - har sagt att det inte skulle utesluta ett förvärv av O2 om CK Hutchisons bud slutligen misslyckades.
"Det skulle vara konstigt om vi inte utvärderade det alternativet," VD Mike Fries berättade analytiker på en nyligen resultat konferens samtal.
Liberty Global har för närvarande en minimal andel av det brittiska dotterbolaget Virgin, som fungerar som en så kallad "virtuell operatör". Detta innebär att BT måste betala grossistpriser för att få tillträde till det nät som drivs av BT:s EE. Tesco och Asda driver sina egna virtuella nätverk på ett liknande sätt.
Liberty Global avslutade nyligen förhandlingarna om ett stort samgående med Vodafone i hela Europa och slog sig helt enkelt fast för ett nederländskt samriskföretag.
Kester Mann, en mobiloperatör analytiker på CCS Insight, sade globala telekom jättar som Japans Softbank eller Mexikos America Movil kan också vara rimliga köpare av O2, men att den "sannolikt slutliga utgången" var en försäljning till ett private equity-företag.
"Dealens kollaps lämnar både Tre och O2 i en otrygg position med osäkra framtider i Storbritannien", sade Thomas Mann.
En talesman för den brittiska teletillsynsmyndigheten Ofcom sade att det var "rätt resultat" för mobila kunder.
"Konkurrensen måste vara hållbar, och reglering bör stödja den", säger Ofcom. "Vi kommer att sträva efter att göra det genom verktyg som marknadsrecensioner eller auktioner av mobila luftvågor."
Europeiska kommissionen har nyligen ingripit i flera föreslagna telekomavtal.
En sammanslagning mellan TeliaSonera och Telenors danska verksamhet övergavs i september förra året efter att kommissionen undersökt affären.
Det finns också en pågående sond av CK Hutchisons föreslagna fusion med den italienska operatören Wind, som ägs av det ryska företaget Vimpelcom, som skulle skapa Italiens största mobiltelefonnät.
Europeiska kommissionen har blockerat Telefonicas försäljning av O2 till CK Hutchison, ägare till Tre.