Председатель Европарламента Мартин Шульц призвал короля Саудовской Аравии Салмана "освободить его, чтобы он мог принять награду".
Г-н Бадави был приговорен Саудовской Аравией к 10 годам тюрьмы и 1000 ударов плетью за "оскорбление ислама".
Ранее в этом месяце он также выиграл премию Pen Pinter за отстаивание свободы слова.
Премия имени Сахарова за свободу мысли была учреждена Европейским парламентом в 1988 году. Ею награждаются лица или организации, внесшие вклад в борьбу за права человека и демократию.
Свое название она получила в честь советского ученого и диссидента Андрея Сахарова.
В 2012 году Бадави, автор сайта "Свободные саудовские либералы", был признан виновным за оскорбление ислама и оштрафован на £ 175 000.
В январе он получил первые 50 ударов плетью, но последующая порка была отложена.
В июне Верховный суд Саудовской Аравии оставил приговор в силе, несмотря на протесты иностранного сообщества.
"Этот человек, чрезвычайно хороший, образцовый человек, получил одно из самых ужасных наказаний", - сообщил Шульц на совещании Европейского парламента в Страсбурге.
"Я призываю короля Саудовской Аравии немедленно освободить его. Отношения зависят от того, как права человека соблюдаются нашими партнерами... они не только не соблюдаются, но в настоящее время просто-напросто попираются ногами", - добавил Шульц.
Ги Верхофстадт, лидер Либерального блока Европейского парламента, сказал, что "сегодня Европейский парламент направил сильный политический и гуманитарный сигнал властям Саудовской Аравии."
Жена Бадави Енсаф Хайдар, в настоящее время живущая с детьми в Канаде, заявила, что эта награда была "посланием надежды и мужества".
"Я благодарна Европейскому парламенту", - сказала она новостному агентству AFP.
Бадави был одним из трех кандидатов премии в этом году наряду с убитым лидером оппозиции Борисом Немцовым и оппозиционным движением Венесуэлы Меса-де-ла-Унидад Демократика.
Среди других личностей, награжденных этой премией - Нельсон Мандела, активист из Мьянмы Аун Сан Су Чжи и пакистанская правозащитница, выступающая за доступность образования Малала Юсуфзай.
По материалам BBC