57 senatorer stemte mot forslaget, mens 43 stemte for. Ni republikanere var blant dem som stemte nei.
Dette er trolig den første av mange avstemninger denne uken i forsøk på å avskaffe og erstatte Obamacare.
Senatorene Shelley Moore Capito, Susan Collins og Lisa Murkowski var blant dem som allerede før avstemningen sa de ikke ville stemme for å avskaffe Obamacare før et nytt og bedre alternativ er på plass.
Tidligere tirsdag ble det flertall for å gjenoppta behandlingen av president Donald Trumps helsereform, noe Collins og Murkowski også stemte mot.
Presidenten omtalte tirsdagens vedtak i Senatet som en seier, ettersom flere av senatorene som tidligere har sagt nei til hans forslag, stemte for å gi det en ny sjanse.
- Dette var et stort steg, sa Trump under en pressekonferanse kort tid etter avstemningen.
(NTB)