Quelque 106 millions d'électeurs, sur une population de 207 millions de personnes, sont appelés aux urnes.
Outre Imran Khan, chef du parti PTI, l'autre principal prétendant au poste de Premier ministre est Shahbaz Sharif, frère de l'ancien chef du gouvernement Nawaz Sharif, à la tête du parti PML-N.
Les analystes estiment cependant que le jeu reste largement "ouvert".
Le scrutin de mercredi ne représente que la seconde transition démocratique d'un gouvernement civil à un autre dans ce jeune pays au passé ponctué de coups d'Etat militaires et d'assassinats politiques.
Mais la campagne, brève et acrimonieuse, a été dépeinte par certains observateurs comme l'une des plus "sales" de son histoire en raison de nombreuses manipulations présumées, censées favoriser Imran Khan.
Les plus de 85.000 bureaux de vote fermeront leurs portes à 13H00 GMT. Les premiers résultats sont attendus dans la soirée.
Les électeurs se pressaient mercredi dans les bureaux de vote de Lahore (centre). "J'ai donné ma voix au PTI bien que je sois pas leur partisan. (L'ancien Premier ministre) Nawaz Sharif a essayé de discréditer notre armée et par colère j'ai voté PTI", a déclaré à l'AFP Khalid Mehmood, un homme de 72 ans dans un bureau de vote d'un quartier populaire.
Le chef du PML-N, Shahbaz Sharif, a voté lui aussi à Lahore: "Je veux dire au peuple pakistanais de ne pas perdre de temps et de sortir de chez eux pour voter et changer le destin du Pakistan", a-t-il déclaré aux journalistes.
Imran Khan est pour sa part attendu dans un bureau de vote de Bani Gala, près d'Islamabad.
Quelque 800.000 militaires et policiers ont été déployés pendant la journée pour assurer la sécurité du vote. La Commission électorale pakistanaise a aussi octroyé aux gradés des pouvoirs judiciaires étendus à l'intérieur des bureaux de vote.
Malgré cela, un policier a été tué et trois autres blessés tôt mercredi lorsque des inconnus ont lancé une grenade dans un bureau de vote du district de Khuzdar, dans la province instable du Baloutchistan (sud-ouest), a indiqué la police.
Et à Swabi (nord-ouest), un militant du PTI a été tué et trois autres blessés dans un échange de tirs avec des partisans d'un parti rival, l'ANP, selon la police.
Une série d'attentats avait déjà endeuillé plusieurs meetings électoraux à la mi-juillet, tuant quelque 180 personnes dont trois candidats. La situation sécuritaire du pays demeure néanmoins bien meilleure qu'il y a quelques années.
"Par la grâce de Dieu, nous voulons assister à une élection pacifique", avait déclaré mardi soir à la presse le secrétaire de la Commission électorale, Babar Yaqoob.
"Mais nous avons encore des défis (sécuritaires) et nous recevons des menaces de différentes natures", avait-il admis.
Bras-de-fer
Les électeurs, parmi lesquels près de 20 millions de primo-votants, doivent choisir un successeur au parti PML-N, aux manettes depuis 2013.
Son principal rival est le parti Pakistan Tehreek-e-Insaf (PTI) d'Imran Khan. Connu comme ancien playboy en Occident, il se présente dans son pays sur un programme réformiste et anti-corruption, mais flirtant parfois avec des thèses extrémistes.
Il est aussi accusé de bénéficier de l'appui en sous-main de la puissante armée. Cette dernière se défend de tout "rôle direct" dans les élections.
Une troisième formation, le PPP de Bilawal Bhutto Zardari, fils de l'ex-Première ministre assassinée Benazir Bhutto, pourrait être appelée à former une coalition avec le vainqueur.
Pour nombre d'analystes, le match apparaît à ce stade trop serré et la situation politique trop embrouillée pour pouvoir livrer un pronostic fiable.
"C'est encore très ouvert", a noté Bilal Gilani, directeur de l'institut de sondage Gallup Pakistan interrogé par l'AFP, nombre d'électeurs restant indécis.
La campagne a aussi été marquée par un bras-de-fer entre l'armée et l'ancien Premier ministre Nawaz Sharif, destitué pour corruption il y a un an.
M. Sharif, actuellement emprisonné, l'accuse d'avoir tout fait pour nuire à son parti, y compris en forçant ses candidats à changer d'allégeance, pour le plus grand profit du PTI.
M. Sharif n'est pas le seul à incriminer l'armée: plusieurs grands médias pakistanais et militants politiques se sont plaints ces derniers mois d'avoir subi enlèvements, censure et menaces pour les forcer à infléchir leur couverture du PTI et du PML-N.
Certains analystes ont par ailleurs exprimé la crainte de voir une partie de l'électorat, très polarisé, rejeter le résultat du vote et descendre dans la rue pour protester, faisant planer un risque d'instabilité, voire de violences dans le pays.
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