Pleidleisiodd yr Arglwyddi 222 i 222 ar welliant gan y blaid Lafur i Fesur Cymru fyddai'n trosglwyddo cyfrifoldeb dros y berthynas ddiwydiannol mewn gwasanaethau cyhoeddus Cymreig o Lundain i Gaerdydd.
Yn unol â'r drefn pan mae pleidlais yn gyfartal, nid yw'r gwelliant yn cael ei basio.
Byddai colli'r bleidlais wedi golygu y byddai oedi cyn i'r Mesur ddod yn gyfraith am y byddai aelodau seneddol wedi derbyn cais i'w wyrdroi.
Dywedodd llefarydd y blaid Lafur, y Farwnes Morgan o Drelai ei bod wedi ei siomi'n fawr gyda'r canlyniad.
Byddai'r gwelliant wedi galluogi Llywodraeth Cymru i gael gwared ar rannau o'r Deddf Undeb Masnach sydd wedi bod yn ddadleuol.
Mae disgwyl i aelodau'r Cynulliad ym Mae Caerdydd roi eu sêl bendith i Fesur Cymru ddydd Mawrth nesaf.
Fe wnaeth llywodraeth y DU osgoi colli pleidlais o drwch blewyn yn Nhŷ'r Arglwyddi nos Fawrth dros welliant i Fesur Cymru.