– Ingen ska leva under illusionen att global strategisk jämlikhet kan kränkas, sade Putin som förklaring.
Tillkännagivandet kom nästan två timmar in i presidentens tal i Moskva.
Samtal mellan Moskva och Washington om att förnya avtalet skulle ha hållits i november, men sköts upp. Putin säger att Ryssland inte kommer att genomföra en "första" kärnvapenattack – men däremot kommer att utföra nya kärnvapentest om USA gör det.
Nya Start är ett bilateralt avtal mellan USA och Ryssland som ratificerades 2011 och ersatte redan existerande avtal om kärnvapen med lång räckvidd. Länderna kom då överens om att begränsa sina utplacerade strategiska kärnvapenspetsar till 1 550 vardera. Bara dagar innan avtalet skulle löpa ut i februari 2021 kom parterna överens om att förlänga det i ytterligare fem år.
Blinken: Oansvarigt
USA:s utrikesminister Antony Blinken beklagar Vladimir Putins besked om att Ryssland inte längre vill medverka i Nya Start-avtalet.
– Vi förblir redo att prata om strategiska vapenbegränsningar med Ryssland när som helst, säger Blinken till reportrar under hans pågående besök i Greklands huvudstad Aten.
Det ryska beskedet kallar han enligt nyhetsbyrån AFP "djupt beklagligt och oansvarigt".
– Vi kommer att följa noggrant vad Ryssland faktiskt gör framöver, säger Blinken.
Även Natochefen Jens Stoltenberg beklagar Rysslands besked. Natochefen uppmanar Ryssland att omvärdera sin ståndpunkt i frågan om Nya Start.
– Ryssland har under de senaste åren brutit mot centrala avtal om vapenkontroll. Med dagens beslut blir hela strukturen för vapenkontroll nedmonterad, säger Stoltenberg enligt Ritzau.
"Säkerhetsläget sämre"
Gudrun Persson, forskningsledare vid Totalförsvarets forskningsinstitut (FOI), konstaterar att Nya Start är det sista av nedrustningsavtalen som slöts mellan Ryssland och USA.
– Det innebär inte omedelbart att kapprustningen är i gång, men det är ett tydligt tecken på att de förtroendeskapande avtalens tid är förbi. I så måtto är det allvarligt och det betyder att säkerhetsläget i Europa och världen försämrats, säger hon via mejl till TT.