Biden ska enligt ett uttalande från Vita huset i Washington ha varnat Putin för att "kraftfulla ekonomiska sanktioner" väntar om Ryssland utökar sin militära press på Ukraina.
Den amerikanske presidenten ska också ha upprepat sitt stöd för den ukrainska statens suveränitet och territoriella integritet, enligt Vita hus-uttalandet.
Enligt Kreml ska Putin ha bett Biden om "garantier" om att Nato inte ska expandera österut. Kreml betecknade också mötet som "uppriktigt och professionellt", efter att det avslutats.
Utrikesministrarna i Sverige
Den ryska nyhetsbyrån Interfax rapporterade att mötet mellan de båda ledarna hölls "strikt ansikte mot ansikte" och att tolkarna befann sig i andra rum.
Till skillnad från sommarens möte i schweiziska Genève skedde tisdagens samtal – som inleddes klockan 16 svensk tid – digitalt.
Förra gången som de två världsledarna talades vid stod cybersäkerhet i fokus. Biden pressade Putin att tygla de hackergrupper, som från baser i Ryssland uppges attackera amerikanska mål. Angreppen har till viss del fortsatt sedan dess – och enligt Vita huset togs frågan upp igen.
Men redan inför tisdagens möte stod det klart att andra frågor skulle dominera denna gång.
– Framför allt spänningarna kring Ukraina, säger Kremls talesperson Dmitrij Peskov enligt ryska nyhetsbyrån Interfax.
I måndags varnade Vita huset att om Ryssland invaderar Ukraina så väntar "allvarlig ekonomisk skada" och ökad amerikansk närvaro i Östeuropa.
President Biden talade också i måndags med ledarna för Frankrike, Tyskland, Italien och Storbritannien, och man enades om att ha en gemensam strategi gällande Ukraina. Enligt Vita huset avsåg Biden ringa samtliga fyra efter att Putinmötet var klart.
Möte i torsdags
I torsdags träffades USA:s och Rysslands utrikesministrar Antony Blinken och Sergej Lavrov utanför Stockholm i samband med ett möte för medlemmarna i Organisationen för säkerhet och samarbete i Europa (OSSE). Även då stod Ukraina högt upp på dagordningen. Den kyliga stämningen mellan de två länderna bedöms inte ha förbättrats av mötet.
– Jag håller på att ta fram vad jag tror är de mest kraftfulla och meningsfulla åtgärderna för att göra det mycket, mycket svårt för Putin att göra vad människor fruktar att han kommer att göra, sade Biden redan dagen efter OSSE-mötet, enligt AP.
Varningen antas gälla Washington DC:s uppgifter om en nära förestående invasion av östra Ukraina, något som Moskva säger inte är aktuellt. Ukrainas försvarsminister Oleksij Reznikov uppger att över 90 000 ryska soldater befinner sig vid den ukrainska gränsen och på den av Ryssland annekterade Krimhalvön.