Det är ett nederlag för president Joe Biden, som har gjort frågan om hur amerikanerna ska få rösta till en av sina viktigaste.
I förslaget ingår bland annat utvidgad förtids- och poströstning och krav på mer transparens kring finansieringen av valkampanjer.
Röstningen skedde som väntat helt enligt partilinjerna och det hade krävts att tio republikaner ställde sig bakom förslaget för att det skulle godkännas. Demokraterna lade fram förslaget som ett slags testomröstning, som svar på republikanska försök att införa striktare vallagar i flera delstater.
Demokraterna lovar att fortsätta försöka.
– I kampen för rösträttigheter var den här omröstningen startskottet, inte mållinjen, säger senatens majoritetsledare Chuck Schumer.