Förslaget, som skulle innebära ett stöd på drygt 60 miljarder dollar till Ukraina, lades fram som ett lagförslag på totalt 118 miljarder dollar. I det ingick bland annat också 14 miljarder dollar till Israel, humanitärt stöd till Gaza, hjälp till krigsflyktingar samt pengar för att stärka USA:s södra gräns.
För att lagförslaget, som tagits fram av en partiöverskridande grupp senatorer, skulle gå igenom hade det krävts 60 ja-röster.
Senatens majoritetsledare, demokraten Chuck Schumer, har försökt få till en andra omröstning som enbart handlar om det utländska biståndet.
Men det är oklart huruvida de republikanska kongressledamöterna ställer sig till en sådan omröstning. Senaten sammanträder igen på torsdagen, vid lunch lokal tid.
Om senaten skulle komma överens behöver stödet även ett godkännande av representanthuset, som styrs av en knapp majoritet republikaner vars motstånd mot förnyat Ukrainastöd varit än mer kompakt.