O relator do pedido, o ministro Edson Fachin negou o pedido da defesa. Os ministros Alexandre de Moraes, Luís Roberto Barroso, Rosa Weber, Luiz Fux e Cármen Lúcia também votaram contra o habeas corpus.
A última a votar foi a presidente da corte, Cármen Lúcia, que desempatou o resultado e definiu a maioria contra o pedido da defesa do petista.
Com a decisão do Supremo, o ex-presidente poderá ser preso com o esgotamento dos recursos no Tribunal Regional Federal da 4ª Região, com sede em Porto Alegre.
A sessão foi acompanhada de perto por advogados e investigadores da Lava Jato, que temiam a fragilização da operação em caso de reversão da prisão em segunda instância.
Coordenador da força-tarefa do Ministério Público, o procurador Deltan Dallagnol comemorou a decisão.
"Nos surpreende que, quatro anos depois da Lava Jato, grande parte do debate público é sobre como não retroceder, não voltar dez anos em um dia, em vez de conversarmos sobre como nós podemos avançar ainda mais no controle da corrupção", disse.