"Detta var en ganska skamlig dag för Washington", sade Obama i Vita huset. "Men denna ansträngning är inte över."
Femtiofyra senatorer stödde planen, men det var sex av de 60-röster som behövdes för att rensa kammaren.
Vapenrättsgrupper hyllade åtgärdens nederlag och hävdade att den skulle kränka rätten att bära vapen.
Förslaget, som lades fram som en ändring av en bredare vapenproposition, syftade till att utvidga de nuvarande kontrollerna till att omfatta online- och olicensierade vapenhandlare.
President Barack Obama kämpar för hårdare vapenlagar efter att 26 personer dog i en skolskjutning i Connecticut i december.
I kommentarer vid Vita huset med en familj som förlorade en son i Newtown massakern vid hans sida lovade Obama att fortsätta ansträngningarna för hårdare vapenrestriktioner.
"Om denna kongress vägrar att lyssna på det amerikanska folket... då den verkliga effekten kommer att behöva komma från väljarna," Mr Obama sade, kallar på dem som stödde planen för att låta sina senatorer veta hur besvikna de var.
Obama hävdade att de som röstade emot Manchin-Toomey-planen endast hade letts av politik.
"De flesta av dessa senatorer kunde inte erbjuda någon bra anledning till varför vi inte skulle vilja göra det svårare för brottslingar och de med allvarliga psykiska sjukdomar att köpa en pistol."
Samtidigt, före detta Arizona kongressledamot Gabrielle Giffords, en högljudd anhängare av vapenkontroll efter att hon sköts i huvudet under 2011 medan hon träffade väljare i Tucson, i en attack som dödade sex personer, anklagade lagstiftare för "cowardice".
"Dessa senatorer fattade sitt beslut baserat på politisk rädsla och på kalla beräkningar om pengar av särskilda intressen som National Rifle Association, som i den senaste valcykeln spenderade cirka $ 25 miljoner på bidrag, lobbying och externa utgifter," Ms Giffords skrev i New York Times.
Det utvidgade systemet med bakgrundskontroller, som hade stått i centrum för presidentens dagordning, blockerades av de flesta senatrepublikaner och vissa demokrater.
New York Times anklagar senaten för att misslyckas amerikaner, säger för 45 av dem blodbad Sandy Hook Elementary School är en bortglömd tragedi.
Kommentarören Charles Krauthammer berättar Fox News i video som drivs av National Review Online att ändringen inte skulle ha stoppat Sandy Hook händer.
Washington Post säger att senaten har "misslyckats ordentligt".
"En ohygglig slutsats", är Huffington Posts uppfattning.
Planer för förbud mot överfallsvapen och tidskrifter med hög kapacitet har redan tagits bort från vapenkontrolllagen, mitt i bristen på politiskt stöd. Liknande åtgärder misslyckades som ändringsförslag på onsdag.
En färsk undersökning av CNN/ORC tyder på att 86 % av amerikanerna stöder utökade bakgrundskontroller, men de senaste AP-undersökningarna visar att stöd för generellt strängare vapenlagar har doppats från en hög på 58 % i januari till 48 %.
Patricia Maisch, en överlevare av 2011 Arizona skytte som dödade sex personer och allvarligt skadade tidigare representant Gabby Giffords, ropade "Shamme på dig!" från senatens galleri när lagförslaget blockerades.
Planen betraktades som ett tillägg till ett större vapenvåldslag i senaten. Den bipartisan affären var först förmedlas av Demokratiska Senator Joe Manchin och Republikanska Senator Pat Toomey.
På onsdag sa Sen Manchin påståenden av USA: s främsta vapen lobbygrupp, National Rifle Association, att förslaget skulle kräva kontroller av försäljning och gåvor mellan familj och vänner och leda till ett nationellt register som "en lögn".
Han sade: " Där jag kommer ifrån i West Virginia, vet jag inte hur jag skall uttrycka orden tydligare än så här: Det är en lögn. Det är helt enkelt en lögn och alla som kan läsa vet att det inte är fakta."
Barack Obama sade också att vapenlobbyn hade "villigt ljugit om lagförslaget" och att en högljudd minoritet av vapenägare hade "skrämt" senatorer till att rösta emot planen.
Förslaget hade undantat överföringar mellan familj och vänner och uttryckligen förbjudit justitiedepartementet att upprätta ett nationellt vapenregister.
Republikanska senator Mike Lee av Utah berättade USA Idag röstade han emot ändringsförslaget eftersom det var för vagt för laglydiga medborgare att förstå och för lätt för brottslingar att undvika.
"Planen skapade fler frågor än den svarade på om vilka typer av överföringar som är lagliga utan en bakgrundskontroll och kan snärja laglydiga vapenägare helt enkelt utöva sina konstitutionella rättigheter. Den lämnade också ett antal luckor som lätt kunde utnyttjas av brottslingar som var inriktade på att skaffa vapen."
I ett uttalande hyllade den nationella regleringsmyndigheten ändringsförslagets nederlag.
"Som vi har noterat tidigare, expanderande bakgrundskontroller, på vapenmässor eller någon annanstans, kommer inte att minska våldsbrott eller hålla våra barn säkra i sina skolor," sade uttalandet.
Tre andra republikaner anslöt sig till Sen Toomey för att stödja planen - Arizonas John McCain, Maines Susan Collins och Mark Kirk av Illinois.
Demokratiska senatorer Mark Begich av Alaska, Max Baucus av Montana, Heidi Heitkamp av North Dakota och Mark Pryor av Arkansas röstade emot åtgärden. Senatorerna Begich, Baucus och Pryor söker alla omval nästa år.
President Barack Obama har attackerat senatorer som blockerade en plan att stödja utökade bakgrundskontroller av skjutvapen.