"I går publicerades en video på nätet av de ryska ockupanterna som visar sin djuriska sida genom att brutalt tortera en ukrainsk fånge och skära av hans huvud", skriver SBU i ett uttalande på Telegram, där man meddelar att en förundersökning har inletts av "detta krigsbrott".
SBU-chefen Vasyl Maljuk lovar i uttalandet att de skyldiga kommer att straffas.
Videon är en av två som har dykt upp på sociala medier den senaste veckan och som påstås visa halshuggningar.
"Det är absurt att Ryssland, som är värre än IS, är ordförande för FN:s säkerhetsråd. Ryska terrorister måste sparkas ut ur Ukraina och FN och hållas till svars för sina brott", twittrar Ukrainas utrikesminister Dmytro Kuleba med anledning av videon.
"Vi kommer inte att glömma någonting, inte heller kommer vi att förlåta mördare", säger president Volodymyr Zelenskyj i ett uttalande i sociala medier, där han uppmanar det internationella samfundet att agera.
Videon har inte verifierats av oberoende källor.
Kreml kallar på onsdagen videon "hemsk" och uppmanar till att den ska verifieras.