AFP:s reportrar på plats rapporterar att de såg hur ukrainska soldater förde i väg journalisten på en bår till en säkrare plats. Skottlossning och artillerield har hörts i området, som utgör fronten mot framryckande ryska styrkor.
Totalt tre personer färdades i bilen. Förutom den döde skadades en annan amerikansk journalist och en ukrainare, säger en kirurg som befann sig på platsen till AFP.
Den dödade journalisten jobbade som dokumentärfilmare på uppdrag av det amerikanska nyhetsmagasinet Time, som på söndagskvällen publicerade ett uttalande om att han de senaste veckorna arbetat i regionen med ett projekt om den globala flyktingkrisen.
Han dog omedelbart av en skottskada i halsen, enligt kirurgen, som gav de två skadade personerna första hjälpen.
Träffades i beskjutning
Ukrainska myndigheter anklagar ryska styrkor för dödsfallet, men exakt vad som har hänt har inte bekräftats.
Ukrainas polismyndighet skriver på Facebook att journalisten dödades i Irpin i Kievs utkanter när ryska styrkor öppnade eld mot bilen som han färdades i tillsammans med en kollega som skadades.
"De cyniska ockupanterna dödar till och med journalister som arbetar för internationella mediebolag som försöker visa sanningen", skriver polisen i inlägget.
Ukrainsk polis har även publicerat bilder på den dödade journalisten samt på hans presslegitimation och pass.
Den döde journalisten har tidigare arbetat för tidningen The New York Times men var inte på plats på tidningens uppdrag, skriver tidningens biträdande redaktionschef Cliff Levy på Twitter. Han bar däremot presslegitimation från The New York Times då han dödades.
Levy skriver att tidningen är "djupt bedrövad" över journalistens död och beskriver honom som en "begåvad fotograf och filmskapare".
Utreds av USA
Vita husets nationella säkerhetsrådgivare Jake Sullivan säger att amerikanska myndigheter ska rådgöra med Kiev för att fastställa omständigheterna kring attacken.
– Vi kommer att rådgöra med ukrainarna för att avgöra hur detta hände och sedan utmäta och verkställa lämpliga konsekvenser som ett resultat av det, säger Sullivan till tv-bolaget CBS.
Efter dödsfallet meddelar Irpins borgmästare att journalister av säkerhetsskäl inte längre har tillåtelse att besöka området.
Irpin har varit hårt utsatt för strider under den ryska invasionen, samtidigt som många människor befunnit sig på flykt genom förorten som ligger nordväst om Kiev.
Den amerikanska videojournalisten är den första utländska journalisten som dödats i Ukraina sedan den ryska invasionen inleddes den 24 februari.
2 000 utländska journalister befinner sig i Ukraina just nu, enligt Reportrar utan gränser.