Det var første gang de to møttes etter at de under fjorårets valgkamp i USA utvekslet harde ord.
Paven sa da at Trumps plan om å bygge mur langs Mexicos grense «ikke er kristen», mens Trump svarte med å kalle utspillet som «skammelig».
De to har også ulike synspunkter på en rekke andre saker, blant dem flyktningpolitikk.
Varte i 29 minutter
Under dagens møte smilte Trump da først møttes, mens pavens ansiktsuttrykk var mer alvorlig.
De lot seg avbilde og håndhilste før de tok fatt på møtet som varte i 29 minutter.
Det er ikke kjent hva de snakket om, men begge smilte og var avslappet da møtet var over.
Møtet ble avsluttet med utveksling av gaver, som er vanlig protokoll når gjester besøker paven.
Hadde på seg slør
Det er også vanlig protokoll at kvinner dekker håret med slør. Det gjorde Trumps kone, førstedame Melania Trump.
Hun var ikledd svart kjole og svart slør, i motsetning til under besøket i Saudi-Arabia i helgen der hun ikke dekket håret.
Trumps datter Ivanka og hennes ektemann Jared Kushner var også med i delegasjonen som fikk møte paven, i likhet med utenriksminister Rex Tillerson og nasjonal sikkerhetsrådgiver H.R. McMaster.
Donald Trump reiser nå videre til Brussel der han skal delta på toppmøte i Nato.