"I nära en månads tid har världen bevittnat hur situationen i Israel och det ockuperade palestinska territoriet utvecklat sig, med chock och förskräckelse över de liv som spillts och slitits sönder", säger cheferna i ett sällsynt gemensamt uttalande.
Bland de 18 undertecknarna finns cheferna för bland annat Unicef, Världslivsmedelsprogrammet (WFP) och Världshälsoorganisationen (WHO).
I uttalandet lyfts antalet dödade på båda sidor i konflikten fram.
Enligt det Hamaskontrollerade hälsodepartementet har över 9 700 palestinier mist livet sedan krigets inledning. Israel uppger att omkring 1 400 israeler, de allra flesta av dem civila, dödades i massakrer och angrepp kring Hamas terroristattack den 7 oktober.
I Gaza, säger FN-ledarna, "befinner sig en hel befolkning under attack och belägring, förvägras tillgång till livsnödvändigheter, bombas i sina hem, skyddsrum, sjukhus och religiösa samlingsplatser. Det här är oacceptabelt."
Cheferna uppmanar även Hamas att släppa de omkring 240 personer som beräknas ha tagits som gisslan i samband med 7 oktober-attacken och vädjar till båda parter att respektera internationell rätt.
Undertecknarna vill också se att större mängder mat, vatten, medicin och bränsle släpps över gränsen och kommer befolkningen till del.
"Vi behöver en omedelbar humanitär vapenvila. Det har gått 30 dagar. Nu får det vara nog. Det här måste få ett stopp nu", säger de i uttalandet.