Rysslands ockupation av anläggningen "utgör ett allvarligt hot mot säkerheten" och "ökar risken för kärnenergiolyckor eller incidenter", säger han till journalister i Bryssel.
Enligt Stoltenberg utsätter Moskvas militära kontroll över anläggningen befolkningen i Ukraina, grannländerna och det internationella samfundet för fara.
Zelenskyj: Kontakt med IAEA
Ukrainas president Volodymyr Zelenskyj säger i sitt dagliga videotal att ukrainska diplomater, kärnkraftsforskare och IAEA har ständig kontakt, och nu arbetar med att få IAEA:s delegation till kärnkraftverket.
– Endast en absolut öppenhet och en kontrollerad situation runt kärnkraftverket Zaporizjzja kan garantera en gradvis återgång till normal kärnenergisäkerhet för den ukrainska staten, för det internationella samfundet och för IAEA, säger presidenten.
Kärnkraftverket i sydöstra Ukraina är Europas största och ockuperades av Ryssland i mars. Ukraina och Ryssland har tidigare anklagat varandra för att ha attackerat anläggningen.
Sex döda i Charkiv
I de nordöstra delarna av landet har sex personer dödats och 16 skadats i en rysk attack mot staden Charkiv, enligt regionens guvernör Oleh Synjegubov.
Attacken startade en brand i ett flerfamiljshus, uppger stadens borgmästare Ihor Terechov på meddelandeappen Telegram. Uppgifterna har inte bekräftats av oberoende källor.
President Volodymyr Zelenskyj fördömer attacken, som han säger "inte hade någon motivering".
"Vi kommer inte att förlåta, vi kommer att hämnas", varnade presidenten på Telegram.
Fortsatta explosioner på Krim
Längre söderut har explosionerna fortsatt vid det ryska vapenlagret på Krim. Bilden av Krimhalvön som en säker bas för Rysslands krig i Ukraina har nu börjat krackelera, bedömer bland annat det brittiska försvarsdepartementet.
Sedan Ryssland olagligen annekterade ukrainska Krim 2014 har landet inte bara gjort semesterparadiset till ett favorittillhåll för många ryska turister, utan även till en strategisk bastion i Svarta havet.
De ryska militärbaserna på halvön har varit viktiga tillgångar för Moskva under invasionen av Ukraina. Krim har setts som säker mark att utgå från vid det fortsatta kriget.
Det är fortfarande mycket som är oklart kring explosionerna, som först inleddes häromveckan. Officiellt har Ukraina inte tagit på sig ansvaret för någon av dem. Anonyma företrädare har dock sagt till bland andra The New York Times att ukrainska styrkor låg bakom förstörelsen på flygbasen Saky.