Av säkerhetsrådets 15 medlemmar var det bara USA som röstade nej till palestinskt FN-medlemskap, men USA tillhör de permanenta medlemmarna och har alltså vetorätt.
Tolv länder i säkerhetsrådet röstade ja till fullt FN-medlemskap för Palestina, bland dem Frankrike och Japan.
Schweiz och Storbritannien lade ner sina röster.
Ett ja hade betytt att FN erkänner Palestina som stat, men USA vill att den frågan avgörs genom direkta förhandlingar mellan Israel och palestinierna.
Palestinierna har redan formell observatörsstatus i FN sedan 2012 och en majoritet av FN:s medlemsländer har erkänt Palestina som stat.
Det amerikanska vetot möttes av fördömanden från palestinska ledare både på Västbanken och i Gaza, medan Israels FN-ambassadör Gilad Erdan fördömde de säkerhetsrådsmedlemmar som röstat ja till medlemskapet.
Källor: Reuters, AFP, Yle, TT