Earlier Sunday, Zelensky had said the war with Russia looked likely to continue into the winter.
While both he and the US envoys Steve Witkoff and Jared Kushner had given upbeat assessments of the talks, neither announced any breakthroughs on ending the conflict.
But the senior Ukrainian official told AFP: "It's not the same as it was before. This one now is more effective. They're still talking. This is actually the most important part."
Witkoff, who is President Donald Trump's business ally, and Kushner, Trump's son-in-law, travelled to Kyiv a day after meeting Russian President Vladimir Putin in Moscow -- the latest of several visits to the city.
Ukraine's rail operator announced their departure from Kyiv in a post on Telegram early Monday, accompanied by a photo of the two envoys' standing under a station sign announcing the "Peace Express".
Sunday's visit to Kyiv was their first to the Ukrainian capital, which has been enduring deadly Russian strikes for more than four years.
Zelensky said: "We very much hope that we will be able to reach agreements with our American partners, and we are counting on the support of our European partners if the war continues in winter -- and this is how it appears at the moment."
Zelensky also said Ukraine would hold talks with the US, France and Germany, but did not elaborate. And he repeated his call that only a meeting between the two leaders could solve territorial issues.
Thanking the US envoys for their visit, Zelensky said on X: "The main thing is to achieve peace for Ukraine -- a dignified, reliable, and lasting peace. We are directing all our efforts toward this."
'On same side'
Moscow occupies large swathes of eastern and southern Ukraine and the Kremlin told the Americans on Saturday it was feeling "confident" it would advance more.
Moscow has said it wants not just the territories it occupies but the land it claims as Russian to be recognised as its own -- terms unacceptable to Kyiv.
Witkoff said both sides would need to compromise, adding: "We think we have the ingredients to get to that place.
"We've had a very meaningful discussion, substantive, important, and we are very encouraged and we look forward to continuing this as long as it takes."
Kushner added: "Hopefully this trip has come out with some new ways to advance forward. I think we've learned a lot from the trip."
Witkoff and Kushner travelled to the region hoping to revive the Trump administration's push for peace in Europe's worst conflict since World War II, after a summer of escalation.
British, French and German representatives attended a separate round of the talks.
Zelensky said he was grateful the Europeans were there, adding: "Here we are all on the same side."
Like all visiting officials, the US delegation had arrived by train, with "Peace Express" written on the platform at Kyiv Central Station.
Ukrainian airspace has been closed since Russia launched its invasion in 2022.
Russia and Ukraine vowed not to strike each other's capitals during the US envoys' trip.
'Substantive plans'
Moscow's invasion has killed hundreds of thousands of people and displaced millions.
A White House official said in a statement to AFP that in Moscow the envoys had "discussed substantive plans which will be announced in the coming weeks".
Without elaborating, the Kremlin said the Americans had "put forward a number of ideas on possible routes to a settlement".
Putin has repeatedly said Moscow intends to seize the rest of eastern Ukraine, and Russia increased deadly strikes this summer.
Since Putin launched the invasion in February 2022, the war has dragged on with no end in sight.
In Kyiv, few people appeared to believe in a breakthrough.
Nataliia Lipekh, 67, said it was "absolutely necessary (for them) to be here" and to see that "our land is already soaked with this blood and that we need some help".
"At the moment, I have no grounds for hope," said 29-year-old Yaroslav, saying he had seen "far too many of these negotiation processes".
Am Sonntagvormittag hatte Selenskyj erklärt, der Krieg mit Russland werde sich voraussichtlich bis in den Winter hineinziehen.
Zwar hatten sowohl er als auch die US-Gesandten Steve Witkoff und Jared Kushner die Gespräche positiv bewertet, doch gab keiner von ihnen Durchbrüche bei der Beendigung des Konflikts bekannt.
Ein hochrangiger ukrainischer Beamter erklärte jedoch gegenüber AFP: „Es ist nicht mehr so wie früher. Die aktuellen Gespräche sind effektiver. Es wird weiterhin geredet. Das ist eigentlich das Wichtigste.“
Witkoff, ein Geschäftspartner von Präsident Donald Trump, und Kushner, Trumps Schwiegersohn, reisten einen Tag nach ihrem Treffen mit dem russischen Präsidenten Wladimir Putin in Moskau nach Kiew – es war der jüngste von mehreren Besuchen in der Stadt.
Die ukrainische Bahn gab ihre Abreise aus Kiew am frühen Montagmorgen in einem Beitrag auf Telegram bekannt, begleitet von einem Foto der beiden Gesandten, die unter einem Bahnhofsschild mit der Aufschrift „Peace Express“ stehen.
Der Besuch in Kiew am Sonntag war ihr erster in der ukrainischen Hauptstadt, die seit mehr als vier Jahren unter tödlichen russischen Angriffen leidet.
Selenskyj sagte: „Wir hoffen sehr, dass wir Vereinbarungen mit unseren amerikanischen Partnern erzielen können, und wir zählen auf die Unterstützung unserer europäischen Partner, falls der Krieg im Winter weitergeht – und danach sieht es derzeit aus.“
Selenskyj sagte außerdem, die Ukraine werde Gespräche mit den USA, Frankreich und Deutschland führen, ging jedoch nicht näher darauf ein. Und er wiederholte seine Forderung, dass nur ein Treffen zwischen den beiden Staatschefs territoriale Fragen lösen könne.
Selenskyj dankte den US-Gesandten für ihren Besuch und sagte am X: „Das Wichtigste ist, Frieden für die Ukraine zu erreichen – einen würdigen, verlässlichen und dauerhaften Frieden. Darauf richten wir all unsere Bemühungen aus.“
„Auf derselben Seite“
Moskau besetzt weite Teile der Ost- und Südukraine, und der Kreml teilte den Amerikanern am Samstag mit, er sei „zuversichtlich“, weiter vorrücken zu können.
Moskau hat erklärt, dass es nicht nur die von ihm besetzten Gebiete, sondern auch das Land, das es als russisch beansprucht, als sein Eigentum anerkannt haben will – Bedingungen, die für Kiew inakzeptabel sind.
Witkoff sagte, beide Seiten müssten Kompromisse eingehen, und fügte hinzu: „Wir glauben, dass wir die Voraussetzungen haben, um dorthin zu gelangen.
Wir haben eine sehr aussagekräftige, substanzielle und wichtige Diskussion geführt, und wir sind sehr ermutigt und freuen uns darauf, dies so lange fortzusetzen, wie es nötig ist.“
Kushner fügte hinzu: „Hoffentlich hat diese Reise einige neue Wege aufgezeigt, um voranzukommen. Ich denke, wir haben viel aus dieser Reise gelernt.“
Witkoff und Kushner waren in die Region gereist, in der Hoffnung, die Friedensbemühungen der Trump-Regierung in Europas schwerstem Konflikt seit dem Zweiten Weltkrieg nach einem Sommer der Eskalation wiederzubeleben.
Vertreter aus Großbritannien, Frankreich und Deutschland nahmen an einer separaten Gesprächsrunde teil.
Selenskyj zeigte sich dankbar für die Anwesenheit der Europäer und fügte hinzu: „Hier stehen wir alle auf derselben Seite.“
Wie alle besuchenden Amtsträger war auch die US-Delegation mit dem Zug angereist, auf dem Bahnsteig des Kiewer Hauptbahnhofs stand „Peace Express“ geschrieben.
Der ukrainische Luftraum ist seit Beginn der russischen Invasion im Jahr 2022 gesperrt.
Russland und die Ukraine versprachen, während des Besuchs der US-Gesandten die jeweiligen Hauptstädte nicht anzugreifen.
„Konkrete Pläne“
Durch die Invasion Moskaus sind Hunderttausende Menschen ums Leben gekommen und Millionen wurden vertrieben.
Ein Vertreter des Weißen Hauses erklärte in einer Stellungnahme gegenüber AFP, die Gesandten hätten in Moskau „konkrete Pläne erörtert, die in den kommenden Wochen bekannt gegeben werden“.
Ohne näher darauf einzugehen, erklärte der Kreml, die Amerikaner hätten „eine Reihe von Ideen zu möglichen Wegen zu einer Einigung vorgelegt“.
Putin hat wiederholt erklärt, Moskau beabsichtige, den Rest der Ostukraine zu erobern, und Russland hat in diesem Sommer seine tödlichen Angriffe verstärkt.
Seit Putin im Februar 2022 die Invasion gestartet hat, zieht sich der Krieg hin, ohne dass ein Ende in Sicht ist.
In Kiew schienen nur wenige Menschen an einen Durchbruch zu glauben.
Die 67-jährige Nataliia Lipekh sagte, es sei „absolut notwendig, dass sie hier sind“ und sehen, dass „unser Land bereits mit diesem Blut getränkt ist und wir Hilfe brauchen“.
„Im Moment habe ich keinen Grund zur Hoffnung“, sagte der 29-jährige Jaroslaw und fügte hinzu, er habe „viel zu viele dieser Verhandlungsprozesse“ miterlebt.
