El No tuvo 51,5% con casi todos los votos contados, dijo la autoridad electoral de Bolivia.
Evo Morales, el primer jefe de Estado de origen indígena de Bolivia, ha dicho que va a respetar el resultado del referéndum.
El cambio constitucional habría permitido a Morales postularse para la reelección en 2019 y potencialmente permanecer en el poder hasta 2025.
Los observadores dijeron que el recuento ha sido lento pero que no había evidencia de fraude.
Los encuestadores habían sugerido una victoria del "No" en base a conteos rápidos no oficiales, lo que provocó celebraciones por el "No" de activistas de diversas ciudades del país.
Morales sigue siendo un líder popular y la economía ha crecido constantemente durante los últimos diez años.
Pero muchos, especialmente en las principales ciudades, han decidido que Morales no debe servir 19 años consecutivos como presidente, según los analistas.
El líder opositor Samuel Doria Medina Morales instó a "reconocer los resultados" y centrarse en resolver los problemas de Bolivia en su tiempo restante en el gobierno.
Morales acusó a los derechistas de librar una "guerra sucia" en su contra.
Los observadores dicen que no hay un claro sucesor de él y que la oposición carece de un solo líder.
A pesar de una caída en el precio internacional del petróleo y el gas natural, la economía boliviana ha obtenido buenos resultados en los últimos 10 años, creciendo en promedio un 5% anual.
Las políticas socialistas del gobierno también han tenido éxito en la reducción de la pobreza extrema.
Sin embargo, las recientes acusaciones de que el Sr. Morales utilizó su influencia para favorecer a una empresa de construcción china en Bolivia han dañado sus índices de aprobación.
Una ex novia del Sr. Morales, Gabriela Zapata, ocupa un lugar importante en la empresa, CAMC, que ha asegurado más de $ 500m (£ 350m) en los contratos con el gobierno de Bolivia.
Morales rechazó las acusaciones y dijo que no tenía nada que ocultar. Se ordenó una investigación sobre cómo se adjudicaron los contratos.