Båda husen i kongressen röstade i snabb följd på onsdag för att godkänna avtalet, liksom pakter med Panama och Colombia.
Det kommer nu att gå till president Barack Obama för att skrivas in i lagen.
Avtalet förväntas öka USA:s export till den asiatiska ekonomin med så mycket som 10 miljarder dollar (6,5 miljarder pund).
Frihandelsavtalet med Sydkorea är den största amerikanska handelspakten sedan man 1994 undertecknade det nordamerikanska frihandelsavtalet.
Den måste dock fortfarande godkännas av det sydkoreanska parlamentet.
"Tillverkad i Amerika"
President Obama sade pakterna med Sydkorea, Panama och Colombia var "en stor seger för amerikanska arbetare och företag".
"I kvälls omröstning, med bipartisan stöd, kommer att avsevärt öka exporten som bär den stolta etiketten "Made in America", stödja tiotusentals välbetalda amerikanska jobb och skydda arbetstagarnas rättigheter, miljö och immateriella rättigheter," sade han i ett uttalande.
Obamas administration säger att enbart pakten kommer att stödja 70.000 amerikanska jobb.
Det fanns nästan 80 miljarder dollar i handel mellan USA och Sydkorea förra året. Det asiatiska landet är den sjunde största handelspartnern för USA.
Omröstningen sammanföll med Sydkoreas president Lee Myung-baks ankomst till Washington för ett officiellt besök.
I ett tal på onsdag sade han att avtalet skulle "skicka ett kraftfullt budskap till världen om att USA och Sydkorea står tillsammans och förkastar protektionism och att vi är öppna för fri och rättvis handel".
Pakten koms först överens 2007, men oron i USA över de avgifter som Sydkorea införde för amerikanska biltillverkare fördröjde förfarandet.
Amerikanska lagstiftare har godkänt ett sedan länge fördröjt frihandelsavtal med Sydkorea och kallar det för det viktigaste på 16 år.