Han sade att den brittiska regeringen skulle ge en rekommendation till det brittiska folket på vilket sätt de skulle rösta i folkomröstningen.
Men han sade till parlamentsledamöter "det kommer att vara öppet för enskilda ministrar att fatta ett annat, personligt beslut medan förblir en del av regeringen".
Folkomröstningen om huruvida Storbritannien stannar i EU kommer att hållas före 2018.
Ett antal ministrar i kabinettet anses vara för en slutomröstning, där David Cameron förväntas driva en kampanj för att Storbritannien ska stanna kvar i EU, även om han har sagt att han inte utesluter någonting om han inte får vad han vill av sina omförhandlingar.
Om statsministern hade beslutat sig för att insistera på ett kollektivt kabinettsansvar, skulle han ha tvingats avskeda ministrar som inte höll med honom.
Cameron sade till parlamentsledamöterna: "Det brittiska folket kommer med all sannolikhet att besluta om landets framtid genom att rösta in eller ut ur en reformerad europeisk union i den folkomröstning som bara vi lovade och som endast en konservativ majoritetsregering kunde genomföra."
Frågat av labourledamoten Emma Reynolds varför det inte var möjligt för honom att övertala sina egna ministrar att stödja honom, sade han: "Hela regeringen har undertecknat ståndpunkten att ha en framgångsrik omförhandling och att ha en folkomröstning och alla stöder den planen."
Men han tillade: "Det finns människor som länge har haft åsikter om den europeiska frågan och... det har aldrig varit min avsikt att få folk att rösta för en ståndpunkt som de inte håller med om."
Analys av BBC:s politiska redaktör Laura Kuenssberg
Mycket av löpningen här, och kanske hela tiden, har gjorts av EU-skeptiker i det konservativa partiet.
Med en ministers ord "de sätter upp allt", och David Camerons upphävande av sin ståndpunkt från för tolv månader sedan, då han uteslöt en fri omröstning, har tvingats av påtryckningar från dem som vill lämna EU.
Läs Lauras hela blogg
"Vi vet ännu inte vad regeringens rekommendation kommer att vara - vi vet inte när affären kommer att göras. Jag hoppas februari men det kan ta betydligt längre tid."
Arbetsledare Jeremy Corbyn sade att Cameron "aldrig velat hålla" en folkomröstning och andra europeiska ledare kunde se att hans förhandlingskrav var "en bluff, ett fikonlöv för konservativ partipolitik".
SNP:s ledare i Westminster, Angus Robertson, krävde en garanti för att det skotska folket inte skulle "tas ut ur EU mot sin vilja".
David Cameron sade att Skottland hade röstat för att förbli en del av Förenade kungariket.
Före detta förbundskanslern och veteranen Europhile Ken Clarke berättade för BBC Radio 4's The World at One Mr Cameron hade tvingats in i ett "mest olyckligt" beslut och alla ministrar som motsatte sig statsministerns ståndpunkt borde avgå och argumentera för att dra sig tillbaka från bakbenen.
Före detta vice premiärminister Lord Heseltine - som förra månaden varnade för ett "civilkrig" i Tory om ministrarna tilläts att öppet trotsa premiärministern och föreslog att Cameron skulle ses som ett globalt "skrattbestånd" om han tillät det - avböjde att kommentera statsministerns beslut.
Men flytten välkomnades av dem som kämpade för att få ut Storbritannien ur EU.
Matthew Elliott, verkställande direktör för omröstningsledigheten, sade: " Folkomröstningen kan vara så kort som 170 dagar bort, så ministrarna bör tillåtas att öppet föra en kampanj så snart omförhandlingen är avslutad - och definitivt inte senare än i slutet av Europeiska rådet i februari.
"Det brittiska folket förtjänar att höra var deras valda representanter står i denna mycket viktiga fråga. Vi har haft många användbara möten med regeringsministrar och ser fram emot att arbeta med dem mycket närmare nu."
Brian Monteith, of Leave.EU, sade: "Vi välkomnar nyheten att ministrar kommer att tillåtas att driva sin kampanj med sitt samvete i folkomröstningen.
"Men det handlar inte om dem. Det kommer att bli vanliga människor som sjuksköterskor, taxichaufförer och småföretagare som behöver få sina röster hörda i denna debatt."
UKIP-ledaren Nigel Farage sade att statsministerns beslut var en kortsiktig lösning för att "hålla ihop" det konservativa partiet, men när folkomröstningen närmade sig regeringsskillnader kunde bli "oförsonlig".
Han sade att David Cameron skulle bli "överraskad" över antalet konservativa som kommer att arbeta tillsammans med UKIP för att lämna EU.
Will Straw, verkställande direktör för Britannien Stronger I Europa, sade: "Vi är övertygade om att efter premiärministerns framgångsrika omförhandling kommer majoriteten av de konservativa ministrarna att fortsätta att hävda att fördelarna med att vara i Europa... klart uppväger kostnaderna."
Alan Johnson, som är ordförande för kampanjen Labour In For Britain, sade: "Även om Tories är splittrade i Europa är Labour tydligt att Storbritanniens nationella intresse bäst tjänar genom att driva en kampanj för att Storbritannien ska stanna kvar i EU."
Den liberaldemokratiska ledaren Tim Farron, som kämpar för att Storbritannien ska stanna kvar i EU, anklagade David Cameron för att "sätta sina egna interna partikonflikter framför det som är bäst för Storbritannien".
"Regeringen bör inta en gemensam ståndpunkt i denna fråga, och om ministrarna inte är överens med premiärministern bör de avgå."
Innan nyheten om Mr Camerons beslut dök upp sa London Mayor Boris Johnson till LBC radio: "Jag tror att vi måste vara beredda att gå, men för tillfället stöder jag premiärministern för att få en hel del för detta land och för Europa."
Han avvisade tanken att Cameron skulle tvingas avgå som premiärminister om han förlorade folkomröstningen och förnekade att Tory parlamentsledamöter var i krig mot Europa.
"Det är vi inte. Glutinös harmoni råder. Vi stöttar David Cameron. Jag tycker att han gör ett lysande jobb, "tillade han.
Frågor och svar: Vad Storbritannien vill ha från Europa
Guide till Storbritanniens planerade folkomröstning inom EU
BBC Nyheter EU:s särskilda rapport om folkomröstningen
David Cameron kommer att låta ministrarna kämpa för båda sidor i folkomröstningen när en överenskommelse har nåtts om Förenade kungarikets förbindelser med EU.