Stoltenberg kallar det ryska beslutet för "det största försöket att annektera europeiskt territorium med våld sedan andra världskriget", och säger att kriget nu är i "ett avgörande ögonblick".
USA:s president Joe Biden skrädde inte orden i ett kort tal från Vita huset på fredagen.
– Amerika och våra allierade låter sig inte skrämmas. Putin skrämmer oss inte, slog Biden fast och riktade sig sedan direkt till den ryske presidenten.
"Försvara varje tum"
– Amerika är fullt berett, tillsammans med våra Nato-allierade att försvara varenda tum av Natos territorium. Herr Putin, missförstå mig inte: varje tum.
Innan dess hade Biden i ett skriftligt uttalande lovat fortsatt stöd för Ukrainas försök att återta kontrollen av landets territorium.
"Ryssland bryter mot internationell lag, hånar FN-stadgan och uttrycker sitt förakt mot fredliga nationer världen över".
"USA kommer alltid att respektera Ukrainas internationellt erkända gränser.", fortsatte uttalandet.
Nya sanktioner införs
USA tillkännagav samtidigt vad som beskrevs som hårda nya sanktioner mot ryska tjänstemän och landets försvarsindustri. Vita huset uppgav också att G7-gruppen kommer att införa "kostnader" för de länder som eventuellt skulle stödja den ryska annekteringen.
Även Storbritannien kommer nu att införa nya sanktioner mot Ryssland, efter annekteringen.
"Den ryska regimen måste ställas till svars för detta avskyvärda brott mot internationell rätt", skriver landets utrikesminister James Cleverly i ett uttalande, enligt CNN.
"Globala säkerheten på spel"
Europeiska rådet fördömer också annekteringen.
"Genom att medvetet undergräva den regelbaserade internationella ordningen och uppenbart kränka Ukrainas grundläggande rättigheter till självständighet, suveränitet och territoriell integritet, grundläggande principer som är inskrivna i FN-stadgan, sätter Ryssland den globala säkerheten på spel", skriver rådet i ett uttalande.
Europeiska rådet skriver också att det aldrig kommer att erkänna de olagliga "folkomröstningarna", eller deras "olagliga resultat".
Från franskt håll kommer också fördömanden mot den olagliga annekteringen av Ukraina. Sverige fördömer Rysslands agerande i kraftfullaste ordalag, meddelade statsminister Magdalena Andersson på en pressträff på fredagseftermiddagen.