Bento XVI anunciou a renúncia pessoalmente, falando em latim, durante o consistório para a canonização de dois mártires.
O Vaticano confirmou a notícia e afirmou que o papado vai ficar vago até que o sucessor seja escolhido.
Em comunicado, Bento XVI, que tem 85 anos, afirmou que vai deixar a chefia da Igreja Católica Apostólica Romana devido à idade avançada, por "não ter mais forças" para exercer o cargo.
O pontífice afirmou que está "totalmente consciente" da gravidade de seu gesto.
"Por essa razão, e bem consciente da seriedade desse ato, com total liberdade declaro que renunciou ao ministério como Bispo de Roma, sucessor de São Pedro", disse Joseph Ratzinger, segundo comunicado do Vaticano.
Na véspera, Bento XVI escreveu em sua conta no Twitter: "Devemos confiar no maravilhoso poder da misericórdia de Deus. Somos todos pecadores, mas Sua graça nos transforma e renova.
Sucessor de João Paulo II, Bento XVI havia assumido o papado em 19 de abril de 2005.
O Vaticano afirmou que a renúncia vai se formalizar às 20h locais de 28 de fevereiro (17h do horário brasileiro de verão). Até lá, o Papa estará "totalmente encarregado" dos assuntos da igreja.
Em seu livro de entrevistas publicado em 2010, Bento XVI já havia falado sobre a possibilidade de renunciar caso não tivesse condições de continuar no cargo.
A chanceler da Alemanha, país natal do Papa, Angela Merkel, disse que está "emocionada" com a decisão e que vai se pronunciar mais tarde.
Seguem as palavras do papa de anúncio de sua renúncia perante o consistório para marcar as datas de duas canonizações:
"Queridísimos irmãos,
Convoquei-os a este Consistório, não só para as três causas de canonização, mas também para comunicar-vos uma decisão de grande importância para a vida da Igreja.
Após ter examinado perante Deus reiteradamente minha consciência, cheguei à certeza de que, pela idade avançada, já não tenho forças para exercer adequadamente o ministério petrino. Sou muito consciente que este ministério, por sua natureza espiritual, deve ser realizado não unicamente com obras e palavras, mas também e em não menor grau sofrendo e rezando.
No entanto, no mundo de hoje, sujeito a rápidas transformações e sacudido por questões de grande relevo para a vida da fé, para conduzir a barca de São Pedro e anunciar o Evangelho, é necessário também o vigor tanto do corpo como do espírito, vigor que, nos últimos meses, diminuiu em mim de tal forma que eis de reconhecer minha incapacidade para exercer bem o ministério que me foi encomendado.
Por isso, sendo muito consciente da seriedade deste ato, com plena liberdade, declaro que renuncio ao Ministério de Bispo de Roma, sucessor de São Pedro, que me foi confiado por meio dos Cardeais em 19 de abril de 2005, de modo que, desde 28 de fevereiro de 2013, às 20 horas, a sede de Roma, a sede de São Pedro ficará vaga e deverá ser convocado, por meio de quem tem competências, o Conclave para a eleição do novo Sumo Pontífice.
Queridísimos irmãos, lhes dou as graças de coração por todo o amor e o trabalho com que levastes junto a mim o peso de meu ministério, e peço perdão por todos os meus defeitos.
Agora, confiamos à Igreja o cuidado de seu Sumo Pastor, Nosso Senhor Jesus Cristo, e suplicamos a Maria, sua Mãe Santíssima, que assista com sua materna bondade os Cardeais a escolherem o novo Sumo Pontífice. Quanto ao que diz respeito a mim, também no futuro, gostaria de servir de todo coração à Santa Igreja de Deus com uma vida dedicada à oração.
Vaticano, 10 de fevereiro 2013."