Några konkreta besked om när den ryska "fredsbevarande styrkan" skulle gå in i områdena gavs inte inledningsvis.
USA:s president Joe Biden, Frankrikes president Emmanuel Macron och Tysklands förbundskansler Olaf Scholz svarade kort därpå i ett gemensamt uttalande att Putins rebellbesked "inte kommer att lämnas obesvarat", rapporterar nyhetsbyrån AFP.
Biden talade också i telefon med Ukrainas president Volodymyr Zelenskyj efter beskedet från Moskva.
Enligt ett uttalande från Vita huset betonade Biden USA:s "åtagande att stödja Ukrainas suveränitet och territoriella integritet" under samtalet.
Beskedet om erkännandet av de två ukrainska områdena meddelade Putin i ett tv-tal tidigare under måndagskvällen.
Det inleddes med långa historiska utläggningar om Ukraina och landets relation till Ryssland och den forna Sovjetunionen. Efter mer än en timmes långt tal landade Putin i sitt beslut.
– Det är dags att ta ett sedan länge nödvändigt beslut, att omedelbart erkänna självständigheten och självbestämmandet för Donetsk folkrepublik och Luhansk folkrepublik, som han formulerade det.
"Allt ansvar"
Därefter signerade den ryske presidenten ett vänskaps- och biståndsavtal med ledarna i de ryskstödda separatistområdena.
Ledarna i områdena hade tidigare under måndagen bett Putin att erkänna deras självständighet.
Putins beslut väntas formellt antas i det ryska parlamentet under tisdagen.
I sitt tal krävde Putin att man från ukrainskt håll ska avsluta striderna i östra Ukraina.
– Annars faller allt ansvar för fortsatt lidande på den ukrainska regimens samvete, uttryckte han i talet.
Samtal med Biden
Ukrainas president Volodymyr Zelenskyj skriver på Twitter att han har "diskuterat de senaste timmarnas händelser" med USA:s president Joe Biden och att Ukraina under dagen sammankallade det nationella säkerhets- och försvarsrådet för ett möte.
FN har varnat att "ensidigt agerande" från ryskt håll kan leda till att Ukrainas självständighet hotas.
I samband med ett utrikesministermöte i EU kallade Sveriges utrikesminister Ann Linde ett sådant beslut – då ännu inte fattat – för ett brott mot folkrätten och något som EU omedelbart kommer att agera mot.
Efter beskedet om det ryska erkännandet av rebellområdena och att militärer skickas dit har Linde inte kunnat nås för kommentarer.
Utlovar sanktioner
EU-topparna Ursula von der Leyen och Charles Michel har i ett gemensamt uttalande fördömt Putins beslut att erkänna utbrytarstaternas självständighet och utlovar sanktioner "mot de inblandade parterna i den här olagliga handlingen".
Även USA utlovar sanktioner mot de separatistledda utbrytarområdena i östra Ukraina. Enligt Vita huset ska Biden även införa nya sanktioner mot Ryssland.
Sent på måndagskvällen begärde Frankrikes president Emmanuel Macron att FN:s säkerhetsråd kallar till möte med anledning av Ukrainakrisen. Macron uppmanade samtidigt till "samordnade europeiska sanktioner" mot Ryssland.
Putins beslut fattades efter ett sammanträde med det ryska säkerhetsrådet tidigare under måndagen, då samtliga deltagare uppmuntrade presidenten att erkänna separatisternas självständighet. Putin sade också att han inte såg några utsikter för att hitta en fredlig utväg ur kriget i östra Ukraina genom det så kallade Minskavtalet från 2015.
Utlovade vedergällning
Ryssland anklagas av USA för att ha sammanställt listor över ukrainare som ska "dödas eller skickas till läger" vid en invasion, i ett brev som USA har skickat till FN:s människorättskommissionär Michelle Bachelet.
I sitt tal tog Putin upp en händelse i Odessa i södra Ukraina 2014, då 42 människor dog i en brand efter sammanstötningar mellan pro-ryska och pro-ukrainska demonstranter.
– Brottslingarna som utförde den här fruktansvärda grymheten straffades aldrig och ingen letar efter dem. Men vi känner till deras namn. Vi kommer att göra allt för att straffa dem, sade Putin.
Den ryske utrikesministern Sergej Lavrov meddelade under dagen att han ska träffa sin amerikanske motpart Antony Blinken i schweiziska Genève på torsdag. Dagen därpå ska han träffa Frankrikes utrikesminister Jean-Yves Le Drian i Paris, enligt det franska utrikesdepartementet.