Den Egypten-stödda planen hade planerat ett regionalt forum som analytiker säger kan ha tvingat Israel att avslöja om det har kärnvapen eller inte.
Förslaget blockerades av USA, Storbritannien och Kanada. Nästa översyn är planerad till 2020.
Israel varken bekräftar eller förnekar att det har ett lager av kärnvapen.
Efter fyra veckors förhandlingar anklagade USA:s statssekreterare Rose Gottemoeller Egypten och andra arabländer för att "inte vilja släppa dessa orealistiska och ogenomförbara villkor" för framtida samtal.
Hon sa också att några deltagare försökte "cyniskt manipulera" hela processen.
Men Egypten varnade för att misslyckandet att nå en överenskommelse "kommer att få konsekvenser inför arabvärlden och den allmänna opinionen", rapporterar Associated Press nyhetsbyrån.
Förra månaden hade Egypten föreslagit att en regional konferens skulle hållas - med eller utan Israels deltagande och utan en överenskommen dagordning.
Vissa analytiker föreslog att detta skulle ha tvingat Israel - som inte är part i fördraget om icke-spridning av kärnvapen - att offentligt klargöra sin ståndpunkt om kärnvapen.
Beslut vid NPT:s granskningskonferenser - som hålls vart femte år - fattas enhälligt.
Misslyckandet med de pågående samtalen innebär att nästa sammankomst kan hållas tidigast 2020.
En FN-konferens som syftar till att förhindra spridning av kärnvapen har misslyckats efter en rad om ett kärnvapenfritt förslag från Mellanöstern.