Demokraterna fick med sig elva republikaner på tåget för att få igenom lagen genom kammaren, i en fråga som varit djupt splittrande i USA.
Nästa steg är att lagen skickas tillbaka till representanthuset, som snabbt väntas godkänna den. Därefter återstår bara att president Joe Biden, som är en påhejare av förslaget, undertecknar den för att den ska träda i kraft.
Samkönade äktenskap har varit garanterade av Högsta domstolen i USA sedan 2015, men när den konservativt dominerade domstolen i somras rev upp abortskyddet oroade sig många progressiva över att även rätten till samkönade äktenskap kunde hotas. Demokraterna har också skyndat på att driva igenom förslaget innan man förlorar makten i representanthuset efter mellanårsvalet.
Det nya lagförslaget är formulerat som så att om Högsta domstolen beslutar sig för att riva upp garantin och delstater som följd förbjuder samkönade äktenskap, så måste ändå erkänna äktenskap eller partnerskap från andra delstater erkännas.
– Dagens omröstning är djupt personlig för många av oss i den här kammaren, sade den demokratiske majoritetsledaren Chuck Schumer, som bar samma slips som han hade på sig vid sin lesbiska dotters bröllop.