Det är ett förödande bakslag för socialdemokratiska SPD, med bara fyra månader till det nationella valet.
Kristdemokratiska CDU ökar kraftigt från 26,3 procent i förra valet till 34,3 procent, enligt en vallokalsundersökning från tv-kanalen ARD.
– Vi går in i det nationella valet med väldigt mycket självförtroende, säger Michael Grosse-Brömer, gruppledare för CDU i förbundsdagen.
Samtidigt gör socialdemokratiska SPD ett riktigt dåligt val och förlorar makten över den stora och viktiga delstaten. ARD-undersökningen visar ett tapp från 39,1 procent till 30,5 procent av rösterna.
Dagens väntade storförlust ska läggas till bakslagen för socialdemokraterna i de tidigare delstatsvalen i Saarland och Schleswig-Holstein.
SPD:s vice partiordförande Ralf Stegner kallar dagens val för "en väldigt mörk dag för SPD".
– Boxaren SPD har fått en rejäl uppercut, men står fortfarande upp, säger han, till nyhetsbyrån AFP.
Viktig delstat
Med nära 18 miljoner invånare – och en femtedel av alla röstberättigade invånare i landet – är Nordrhein-Westfalen en viktig indikator på den politiska temperaturen i landet, inte minst för socialdemokratin. Med undantag för åren 2005–2010 har SPD styrt det västtyska förbundslandet i ett halvsekel, och en valförlust är ett förödande bakslag för partiets nyvalde ledare Martin Schulz.
För vem vill rösta på en förlorare i höstens val till förbundsdagen, där Schulz hoppas kunna bryta CDU-ledaren Angela Merkels mångåriga prenumeration på förbundskanslerposten?
Liberalerna ökar
Även miljöpartiet Die Grünen backar stort i prognosen från ARD. Står sig siffrorna får partiet bara 6 procent av rösterna, ett tapp med 5,3 procentenheter.
Samtidigt ökar liberala FDP – som har pekats ut som en möjlig kungamakare i förbundsdagsvalet i september – starkt, från 8,6 till 12,2 procent.
Högerpopulistiska Alternativ för Tyskland (AFD) tar samtidigt plats som nytt parti i delstatsparlamentet med 7,5 procent av rösterna. Die Linke, kontroversiellt på grund av sina rötter i det statsbärande östtyska partiet SED, har fördubblat sitt väljarstöd och balanserar på gränsen till spärren för delstatsparlamentet med 5 procent.
Valdeltagandet ser ut att ha ökat markant sedan valet 2012.
Utrikes
14.5.2017
Kristdemokrater tar över S-fäste i Tyskland
Angela Merkels CDU går mot en övertygande vinst i Tysklands folkrikaste delstat Nordrhein-Westfalen, enligt den första prognosen.