Commons motsatte sig förslag om att ge råden möjlighet att förlänga öppettiderna med 317 röster till 286, eftersom 27 Tories gjorde uppror.
Ministrarna hade försökt begränsa upproret genom att lova att pröva förändringarna på 12 områden, men sade efteråt att de skulle respektera parlamentsledamöternas åsikter.
Kritiker av planerna sade att de skulle "chippa bort" på söndagens speciella status och sätta otillbörlig press på arbetarna.
Det är den konservativa regeringens andra nederlag i underhuset sedan det valdes i maj förra året.
Regeringen hade hoppats lätta på befintliga restriktioner för söndagshandel, som begränsar stora butiker till att öppna i högst sex timmar, genom att delegera ansvaret till lokala myndigheter. Men deras planer omintetgjordes av en osannolik allians av Labour, SNP och konservativa backbenchers.
Förteckning över konservativa parlamentsledamöter som röstade emot regeringen
Före omröstningen meddelade ministrarna att de skulle försöka ändra sina förslag i överhuset om parlamentsledamöterna godkände dem i princip. Men samtidigt som ministrarna skyllde på SNP för nederlaget, medgav de efteråt att planerna inte skulle uppväckas.
"Vi respekterar parlamentets åsikt. Commons har talat och gett en mycket tydlig uppfattning - vi måste absolut respektera det, "sade planeringsminister Brandon Lewis.
Under den största föreslagna omvälvningen på 20 år ville ministrarna ge de 353 råden i England och 22 i Wales frihet att bestämma öppettider för stora butiker i deras område.
Under en tretimmarsdebatt uttalade sig en rad konservativa parlamentsledamöter emot de förändringar - som först tillkännagavs av Osborne i förra årets budget - och det sätt på vilket de introducerades.
Analys av BBC:s politiska redaktör Laura Kuenssberg
Anledningen till att regeringen förlorade med en sådan marginal var inte bara på grund av ståndaktig opposition från Labourpartiet med dess kampanj "Håll söndagsspecial", eller på grund av den principiella oppositionen från många Tory-parlamentariker som verkligen tror att söndagar verkligen är speciella och bör skyddas.
Regeringen förlorade också på grund av att SNP invände mot sina planer, även om butikerna i Skottland har öppnat längre på söndagar i många år.
Det är ett pinsamt nederlag för regeringen och särskilt för George Osborne, som måste leverera budgeten en vecka i dag. Men SNP:s engagemang skulle kunna få en mer långsiktig inverkan. Läs mer från Laura
Sir Gerald Howarth sade att det sena erbjudandet av koncessioner hade varit "shambolic" och såg ut som om de hade "levererats av lastminute.com" medan Stewart Jackson sade att "döda handen" av finansdepartementet var ansvarig för en "egregerande och onödig konfrontation" med Tory backbenchers.
Konservativ parlamentsledamot David Burrowes, som lade fram det framgångsrika rebelländringsförslaget, sade att regeringen inte hade argumenterat ekonomiskt för sådana genomgripande förändringar, som han sade var emot av företag av alla storlekar, butiksarbetare och trosgrupper.
Han talade efter omröstningen och berättade för BBC News om sin "relief", och tillade: "Det viktigaste där ute är lättnad för butiksarbetare, familjer och företag som verkligen kommer att bli nöjda idag."
Labour sade att regeringens strategi hade varit "tawdry" och underhuset hade talat klart och tydligt om den "kontroversiella frågan".
Federationen av småföretag sade att resultatet var en "stor seger" för sina medlemmar.
"Våra medlemmar har varit oövertygade om det ekonomiska fallet för avkopplande söndag handel regler och det har inte gjorts någon konsekvensbedömning för att stödja förslagen," sade gruppens policychef, Mike Cherry.
"Det nuvarande systemet kan ses som en stor brittisk kompromiss som gör det möjligt för familjer att tillbringa tid tillsammans, anställda att arbeta om de vill, och ger välbehövligt stöd till mindre återförsäljare inom sina samhällen."
De föreslagna ändringarna täcktes inte av nya engelska röster för engelska lagbestämmelser, som kräver ett uttryckligt samtycke från engelska och walesiska parlamentsledamöter för åtgärder som uteslutande påverkar dem, eftersom andra delar av Enterprise Bill gäller för Skottland.
Planer för att se över söndagens handelslagar i England och Wales har lagts ned efter att de avvisades av parlamentsledamöter.