Händelsen inträffade i fredags, skriver försvarsalliansen Nato på sin sajt. Det amerikanska planet, av den stora bombmodellen B-52, deltog då i övningen Allied Sky över Östersjön. Ett ryskt stridsplan av typen Su-27 lyfte från Kaliningrad och förföljde sedan B-52:an en bra bit, långt in i danskt luftrum inklusive över själva ön Bornholm, enligt Nato.
Danmark skickade upp stridsflyg för att möta det ryska intrånget, men Su-27:an hann vända hemåt innan danskarna hittade det.
"Jag ser allvarligt på den oacceptabla ryska kränkningen av danskt luftrum. Det är fullständigt avgörande att alla – även Ryssland – följer de grundläggande spelreglerna och internationella principerna", skriver Danmarks utrikesminister Jeppe Kofod i ett uttalande.
Kofod tillägger att den danska ståndpunkten framförts till Ryssland, vars ambassadör kallades upp på tisdagen, rapporterar nyhetsbyrån Ritzau. "Det har klargjorts att det inte får upprepas", skriver han.
Danska försvaret vill inte närmare kommentera händelsen, men Nato är starkt kritiskt.
"Detta otillåtna intrång i suveränt luftrum är ett klart brott mot internationell rätt", skriver alliansen. "Fredagens händelse är den första i sitt slag på flera år, och tyder på en ny nivå av provokativt ryskt beteende".
Bornholm ligger cirka fyra landmil från Skånes sydöstra hörn.