"El consejo de administración ha decidido nombrar a Jack Dorsey, fundador y presidente de la junta, como director ejecutivo interino hasta encontrar un nuevo líder", dijo la empresa en un comunicado.
Twitter detalló que ha formado un comité de búsqueda presidido por el director independiente Peter Currie para encontrar un nuevo consejero delegado.
"No hay nadie mejor que Jack para liderar esta transición", dijo Costolo, quien mantendrá un asiento en el consejo de administración de la firma californiana.
La renuncia del consejero delegado se produce en medio de la presión de los accionistas por los problemas que está teniendo para definir una estrategia de crecimiento que convenza a Wall Street.
La empresa trató de trasladar un mensaje de confianza y reafirmó sus previsiones para el segundo trimestre: entre 470 y 485 millones de ingresos y entre 97 y 102 millones de beneficios.
Twitter perdió 162 millones de dólares (-25 centavos por acción) en el primer trimestre del año mientras que los ingresos subieron a 435 millones.
La principal fuente de ingresos de la empresa sigue siendo a través de la inserción de publicidad que aparece en forma de mensajes normales.
En el último trimestre, la facturación por publicidad en Estados Unidos ascendió a unos 388 millones de dólares mientras que en el extranjero captó unos 147 millones.
Tras conocerse la salida de Costolo, las acciones de Twitter se disparaban más de un 7% en las operaciones electrónicas de la Bolsa de Nueva York (NYSE).