Litauen bröt mot en artikel om fria val i Europeiska konventionen om skydd för de mänskliga rättigheterna, sades det i domen.
Paksas åtalades och avsattes som president efter det att den baltiska statens författningsdomstol funnit att han hade missbrukat sin ställning.
Han är nu ledamot av Europaparlamentet i Strasbourg.
Domen från Strasbourgdomstolen på torsdag är bindande, vilket innebär att Litauen, en EU-medlemsstat, måste vidta åtgärder för att förhindra alla liknande överträdelser i framtiden.
Men domarna gav inte Paksas kompensation, och sade att deras dom i sig själv var "tillräcklig tillfredsställelse".
Litauen befanns ha brutit mot artikel 3 i protokoll 1 (rätt till fria val) i Europeiska konventionen om skydd för de mänskliga rättigheterna och de grundläggande friheterna.
År 2004 blev Paksas den första europeiska statschefen i modern tid som blev åtalad och avsatt från sitt ämbete.
Den tidigare sovjetrepublikens författningsdomstol fann att han olagligt hade arrangerat litauiskt medborgarskap för en ryskfödd affärsman, Yuri Borisov.
Men Paksas, en aeroba pilot i Sovjettiden, friades från anklagelsen att ha läckt statshemligheter till Ryssland.
Efter det att författningsdomstolen hade ställt sig bakom Paksas diskvalificering antog det litauiska parlamentet en ny valregel som hindrade någon från att bli parlamentsledamot om de tidigare hade avskedats i åtalsförfaranden.
Paksas klagade över att regeln hade antagits med avsikt för att hindra honom från att tjänstgöra. Han sade också att författningsdomstolen inte hade varit opartisk och att den hade överskridit sina befogenheter.
Domarna i Strasbourg godtog att ett brott mot författningen var "en särskilt allvarlig fråga", men de hävdade att Paksas permanenta och oåterkalleliga diskvalificering av valet var oproportionerlig.
Under 2009 valdes Paksas till Europaparlamentet. Han sitter i gruppen Frihets- och demokratiernas Europa, som försöker försvara den nationella suveräniteten och förhindra ytterligare maktkoncentration i Bryssel.
Europeiska domstolen för de mänskliga rättigheterna har slagit fast att Litauen hade fel när det gällde att hindra f.d. president Rolandas Paksas från att ställa upp i val till parlamentet efter det att han hade blivit utkastad från makten 2004.