45-55-rösten markerar det andra nederlaget för republikaner som siktar på att godkänna ett lagförslag den här veckan för att upphäva hälsopolitiken.
Omröstningen kom en dag efter att senaten avslog en plan för att upphäva och ersätta hälsolagen med en republikansk plan.
Senators kommer nu att överväga en "skinny" upphävande, som skulle skala tillbaka några av de mer kontroversiella bestämmelserna.
Den "skinny" planen skulle eliminera impopulära delar av Obamacare - den prisvärd vård lagen - inklusive det individuella mandat som kräver alla amerikaner att ha sjukförsäkring täckning samt en skatt på medicintekniska produkter.
Om den åtgärden går igenom kommer senaten och representanthuset att få i uppdrag att slutföra ett lagförslag som fortfarande kan ändras under förhandlingarna.
Om det lyckas måste hela kammaren och senaten återigen godkänna åtgärden.
Sju republikaner motsatte sig planen för upphävande enbart på onsdag, som innehöll en tvåårig försening på en ersättare i hopp om att hitta en överenskommelse innan den tiden förlöper.
Nederlaget är det senaste slaget för president Donald Trump, som satte upphävande Obamacare i centrum av sin valkampanj, och understryker skarpa splittringar inom det republikanska partiet över en ersättningsplan.
Ett förslag om att upphäva och ersätta Obamacare med Better Care Försoning Act (BCRA), en republikansk plan som utformades under de senaste två månaderna, kollapsade på tisdag kväll efter nio republikaner röstade emot det.
Republikanerna har länge räckt mot Obamacare som regering overreach, kritiserar systemet för att införa statligt drivna marknadsplatser, där premier har stigit kraftigt för vissa människor.
Partiets föreslagna alternativ inkluderade kraftiga nedskärningar av Medicaid, ett vårdprogram för fattiga och funktionshindrade.
Och det tar bort Obamacare individuella mandat som kräver alla amerikaner att ha sjukförsäkring eller betala ett skattestraff.
Omkring 20 miljoner människor fick sjukförsäkring enligt f.d. president Obamas prisvärd vårdlag.
Den icke-partisan kongressens budgetkontor (CBO) hittade lagförslaget skulle beröva 22 miljoner amerikaner av sjukförsäkring under det kommande årtiondet.
Andra försök att ersätta Obamacare har misslyckats under de senaste veckorna på grund av republikanska divisioner.
I en tidig morgon tweet på onsdag, Mr Trump lambasted Republikan Senator Lisa Murkowski av Alaska för att motsätta sig partiets plan, säger hon "verkligen låta republikanerna, och vårt land, ner igår. Vad synd!"
Murkowski var en av två republikaner som tidigare i tisdags röstade emot att låta debatten om reformen av hälso- och sjukvården gå vidare.
Men hennes parti utbröt en seger efter vicepresident Mike Pence gjorde den slipsbrytande rösten som tillät diskussion att äga rum.
Senator John McCain, som nyligen fick diagnosen aggressiv hjärntumör, fick stående ovationer när han återvände till kongressen för att rösta ja.
President Trump twittrade sitt tack till Arizona senatorn för att spela "en så viktig roll" i omröstningen.
Den amerikanska senaten har misslyckats med att anta ett republikanskt förslag om att upphäva president Barack Obamas signatur sjukvårdspolitik utan att ersätta den.