AfD vann 32,8 procent av rösterna i Thüringen, jämfört med 23,4 procent i det senaste valet 2019. Näst störst blir kristdemokratiska CDU med 23,6 procent av rösterna.
AfD, Alternative für Deutschland, blir det första ytterhögerpartiet sedan andra världskriget att vinna ett regionalval i Tyskland.
Invånarna i de tyska delstaterna Thüringen och Sachsen röstade i delstatsval på söndagen.
Det ses ändå som osannolikt att AfD ska kunna bilda delstatsregering.
I granndelstaten Sachsen får CDU 31,9 procent av rösterna. Det är en dryg procentenhet mer än AfD som landar på 30,6 procent enligt de preliminära valresultaten.
Möjlig vågmästarroll för vänsterpopulister
Alliansen kring vänsterpolitikern Sahra Wagenknecht (BSW) ser ut att bli tredje störst både i Thüringen och Sachsen.
Vänsterpopulistiska BSW kräver i likhet med AfD hårdare kontroll över invandringen och vill sluta hjälpa Ukraina med vapen.
Uppdraget att bilda regeringar i de två förbundsländerna väntas nu gå till kristdemokraterna, som sannolikt blir tvungna att hitta kompromisser med BSW.
Alla partier, inklusive BSW, har sagt att de inte tänker ingå någon koalition med AfD. I Thüringen klassar säkerhetstjänsten det av Björn Höcke ledda AfD som bevisligen högerextremt.
Nationella val om ett år
För regeringen i Berlin och för förbundskansler Olaf Scholz var dagens valresultat katastrofala.
Scholz socialdemokrater klarar visserligen av röstspärren på fem procent i båda förbundsländer, men det liberala FDP kom inte ens nära femprocentsgränsen.
De Gröna ser enligt prognoserna ut att också i fortsättningen vara representerade i parlamentet i Sachsen, men inte i Thüringen.
Enligt en opinionsundersökning gjord av rundradiobolaget ARD, svarade över hälften av de tillfrågade väljarna att de var ute efter att bestraffa den sittande regeringen.
Bara 17 procent säger sig vara nöjda med Scholz som förbundskansler.
Bland socialdemokraterna väcker söndagens val förstås frågan om man fortfarande kan ställa upp med Scholz som kanslerskandidat i förbundsdagsvalet om ett år. Avgörande här kan bli hur SPD klarar sig i delstatsvalet i Brandenburg om några veckor.
Vänsterledare: Jag kämpar mot normalisering av fascism
Alice Weidel, en av AfD:s ledare, sa på valkvällen att hennes parti borde sitta i regeringen.
– Väljarna vill ha AfD i regeringen. Utan oss är en stabil regering inte möjlig, sa Weidel.
Thüringens nuvarande regeringschef Bodo Ramelow, vars vänsterparti die Linke backade trots hans personliga popularitet, sa för sin del att alla demokratiska partier nu måste samarbeta.
– Jag kämpar inte mot CDU. Jag kämpar inte mot BSW. Jag kämpar emot normaliseringen av fascism.
Källa: Reuters
Uppdaterad med de senaste valresulten kl. 4.59
Uppdaterad 16:49 med video från AfD:s presskonferens och AfD-ledaren Alice Weidels tal 2.9.2024
