Moro, regeringens mest populära minister, har setts som en symbol för kampen mot korruptionen, som var en viktig fråga i Bolsonaros kampanj 2018. Nu anklagar han Bolsonaro för politisk inblandning i rättsväsendet.
Regeringen har inte officiellt angett någon orsak till att polischefen Maurício Valeixo avskedades. Det har talats på om "personliga och politiska skäl". Valeixo är en nära allierad till Moro.
– Bytet av chefen för den federala polisen utan ett verkligt skäl är en politisk inblandning som skadar min och regeringens trovärdighet, säger Moro som gjorde sig känd som durkdriven domare i antikorruptionskampen, inte minst i jättehärvan som ex-president Luiz Inácio Lula da Silva var insyltad i.
I samband med Moros tv-sända tal från huvudstaden Brasilia hördes folk slå på stekpannor och annat, skanderande "ut med Bolsonaro" från sina lägenheter.
Presidenten presstjänst svarade inte på förfrågningar.
Den senaste tiden har relationen mellan Bolsonaro och Moro, som utsett Valeixo, varit spänd, speciellt sedan presidenten började fundera på att göra ändringar i ledningen för den federala polisen.
Börsen i São Paulo, den största i Latinamerika, djupdök (minus 8,3 procent) efter Moros besked och valutan real föll till rekordlåg nivå mot dollarn.
I förra veckan sparkade Bolsonaro sin hälsominister Luíz Henrique Mandetta efter en konflikt om hur coronapandemin ska hanteras.