Den amerikanska drönaren, av modell MQ-9 Reaper, kolliderade med ett ryskt attackplan av typ Su-27 över internationellt vatten, enligt det amerikanska militärkommandot i Europa.
USA fördömer händelsen och anklagar Ryssland för "hänsynslöst" beteende. Uttalandet görs av John Kirby, som är talesperson för USA:s nationella säkerhetsråd.
Rysslands svar kom någon timme senare: Drönaren befann sig nära Krimhalvön och var på väg mot ryskt luftrum.
Det ryska försvarsdepartementet säger i ett uttalande att stridsplanen inte använde några vapen eller fysisk påverkan på drönaren som störtade.
Oprofessionellt handlande
Men USA står fast vid anklagelserna. John Kirby konstaterar att plan över Svarta havet, på internationellt luftrum, ofta har visuell eller elektronisk kontakt. Men tisdagens händelse var annorlunda:
– Det är värt att notera hur osäkert och oprofessionellt det genomfördes, ja till och med hänsynslöst, säger Kirby, vilket också upprepas av det amerikanska utrikesdepartementets talesperson Ned Price.
Diplomater inom militäralliansen Nato bekräftar händelsen, men räknar inte med att attacken mot drönaren kommer att märkbart förvärra de redan usla relationerna mellan Ryssland och USA. USA:s utrikesdepartement har kallat upp Rysslands ambassadör efter incidenten.
En militär källa säger till nyhetsbyrån AFP att diplomatiska kontakter mellan Moskva och Washington DC kommer att aktiveras.
– Jag tror att diplomatiska kontakter kommer att lösa detta, säger källan som inte vill namnges.
Drönaren totalförstördes
USA:s militärhögkvarter i Europa, med bas i Stuttgart, har också utfärdat ett uttalande.
"Vår flygfarkost MQ-9 genomförde en rutinflygning i internationellt luftrum när den blev närmad och träffad av ett ryskt flygplan. Det resulterade i att MQ-29 kraschade och totalförstördes", skriver man och fortsätter:
"Det var både farligt och oprofessionellt av ryssarna. Beteendet gjorde att båda farkosterna höll på att krascha".
Ytterligare uppgifter från USA:s militär tyder på att de ryska stridsplanen först dumpade bränsle på den amerikanska drönaren och flög precis framför farkosten flera gånger.
Enligt medieuppgifter tvingade det ryska stridsflyget ned den amerikanska drönaren sedan det skadat drönarens propellrar.
Händelsen är den första kända då ryskt stridsflyg och amerikanska flygfarkoster har varit inblandade i en direkt konfrontation under kriget i Ukraina, enligt CNN.