Selon les premiers échos du vote, les eurodéputés ont approuvé l'accord par 408 voix contre 254.
Avec ce vote favorable, une grande partie du texte devrait très prochainement être appliquée de manière provisoire, le temps qu'il soit ratifié par l'ensemble des Parlements nationaux et régionaux de l'UE, ce qui pourrait prendre des années.
Les eurodéputés de droite, ainsi que les libéraux et la plupart des socialistes étaient favorables au texte, tandis que les Verts, l'extrême gauche, l'extrême droite et certains socialistes s'y sont opposés.
Environ 700 personnes, selon la police, ont manifesté dans Strasbourg contre le CETA, jusqu'au Parlement européen.
Dès mercredi matin, plusieurs dizaines d'autres avaient bloqué en se couchant par terre l'entrée du Parlement, retardant le débat de quelques minutes.
«Le CETA est un accord progressiste avec un partenaire progressiste», a souligné mercredi 15 février au matin la commissaire européenne au Commerce, Cecilia Malmström, qui défend ce texte depuis des mois, en dépit des nombreuses critiques.
Le Premier ministre canadien Justin Trudeau, qui doit s'exprimer devant les eurodéputés jeudi 16 février, voit dans le CETA un «exemple pour les futurs accords commerciaux».
Le texte supprimera 99% des droits de douane. Mais il prône également la coopération en matière sociale, sanitaire et environnementale.
Ses adversaires le jugent anti-démocratique, trop favorable aux multinationales, léger sur l'environnement ou encore dangereux pour l'agriculture européenne.
Parmi les principales critiques, les tribunaux arbitraux amenés à être mis en place une fois que le traité aura été définitivement approuvé.
Ces juridictions pourront être saisies par une entreprise afin de demander réparation à un Etat qui aurait pris une réglementation contraire à ses intérêts.
Le Parlement de la région francophone belge de Wallonie (sud de la Belgique) s'en était vivement inquiété en octobre 2016, entraînant une brève rébellion et une mini-crise diplomatique avec le Canada, point d'orgue de la contestation.
Au final, la signature formelle du traité par l'UE et le Canada en avait été retardée de quelques jours.
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