Steven Cheung, diretor de comunicações da Casa Branca, afirmou que os líderes "se encontraram em particular hoje e tiveram uma conversa muito produtiva".
"Mais detalhes sobre a reunião serão divulgados em breve", disse.
A presidência ucraniana divulgou fotos do encontro, mostrando os líderes sentados frente a frente em uma área vazia da Basílica de São Pedro.
Outra imagem mostra os líderes acompanhados pelo primeiro-ministro britânico, Keir Starmer, e pelo presidente francês, Emmanuel Macron.
Zelensky já havia expressado disposição para se encontrar com Trump enquanto estivessem na Itália, embora o americano não tenha dito a repórteres se planejava ou não falar com o outro chefe de Estado em Roma.
Os líderes não se encontram pessoalmente desde o bate-boca no Salão Oval da Casa Branca em fevereiro, no qual o Trump repreendeu Zelensky por não demonstrar gratidão suficiente pelo apoio americano na luta contra a Rússia.