En föreslagen ändring av finanslagen från SNP och Plaid Cymru, som skulle ha förhindrat ökningen, avslogs med en majoritet på 295.
Ett ändringsförslag som stöddes av labour och krävde att flytten skulle skjutas upp i avvaktan på en bedömning av dess inverkan på utsatta grupper förkastades också.
Ministrarna har sagt att skattehöjningen är "oundviklig" för att minska underskottet.
I ytterligare en omröstning godkände parlamentsledamöter en höjning av momsen med 321 till 246, en statlig majoritet på 75.
Omröstningarna kom under en lång debatt om lagförslaget, som antar förra månadens budget, i underhuset.
Kansler George Osborne har sagt att den planerade höjningen av den huvudsakliga mervärdesskattesatsen från 17,5 % till 20 % beräknas öka 13 miljarder pund för att minska underskottet på 155 miljarder pund.
Flytten var kontroversiell eftersom de konservativa sade att de inte hade några "planer" att höja den under valet medan Lib Dems attackerade Tories - nu deras nu-koalition partner - säger att deras planer skulle kräva en "moms bombshell".
Men varken de konservativa, Labour eller Lib Dems uteslöt att höja momsen före det allmänna valet.
Parlamentsledamöterna diskuterade en grupp på 16 ändringsförslag från oppositionen, bland annat ett försök från SNP att stoppa ökningen helt och hållet och flera ändringsförslag från arbetsmarknaden, bland annat ett ändringsförslag som skulle försena momshöjningen tills regeringen har bedömt dess inverkan på pensionärer, barn och personer med låga fasta inkomster.
SNP:s ändringsförslag avslogs med 316 röster mot 21.
Ett annat ändringsförslag från Labour, som också förkastades, skulle ha befriat grupper som välgörenhetsorganisationer, lokala myndigheter och andra grupper från momshöjningen.
En ledamot från Lib Dem, Andrew George, lade fram ett ändringsförslag för att sätta gränsen till 0,5 procent - från 17,5 procent till 18 procent.
"Av alla åtgärder för att återställa de offentliga finanserna verkar det för mig som en momshöjning måste vara bland de minst välkomna av alla alternativ," sade han till parlamentsledamöterna.
Finansminister David Gauke sade moms var "en av de få hävstång tillgängliga" till regeringen för att ta itu med underskottet i de offentliga finanserna.
"Alla förnuftiga regeringar skulle överväga det. Och, med tanke på omständigheterna vi befinner oss i, skulle vilken regering som helst göra det." Han tillade: "Vi var tvungna att höja momsen eftersom det inte fanns några pengar kvar."
Men skuggföredragande Liam Byrne sade att Storbritanniens pensionärer kan möta "en 8 miljarder pund moms räkning under loppet av detta parlament".
I en intervju med BBC: s Daily Politics tidigare, skuggkansler Alistair Darling bekräftade Labour hade tittat på att höja momsen till 18% eller 19% och sade att han "inte har ett filosofiskt problem med det" så länge "du gör något för att hjälpa människor med låga fasta inkomster" som pensionärer och för att lindra effekten av nedskärningar av utgifterna.
Han sade att Labours ändringsförslag inte var en "misslyckad vägran att införa mervärdesskatt" utan en "motiverad och genomtänkt ändring" som uppmanade regeringen att göra mer för att hjälpa dem som drabbats hårdast av en höjning av mervärdesskatten.
Regeringen har sett av uppmaningar i parlamentet att skrota sin planerade höjning av momsen till 20 procent från och med i januari nästa år.