Jens Stoltenberg twitterte, dass die Nato-Verbündeten "diese Behauptung zurückweisen" und "Russland sie nicht als Vorwand für eine Eskalation benutzen darf".
Der russische Verteidigungsminister Sergej Schoigu äusserte sich in einem Telefonat mit seinem britischen Amtskollegen Ben Wallace zu den schmutzigen Bomben.
Auch die Ukraine verurteilte die Äusserungen.
Präsident Wolodymyr Zelensky sagte, dies bedeute, dass Russland selbst einen solchen Angriff vorbereiten könnte.
Am Sonntag führte Schoigu eine Reihe von Telefonaten mit den Verteidigungsministern der USA, Frankreichs und der Türkei, in denen er die Besorgnis Moskaus zum Ausdruck brachte. Er legte keine Beweise vor, um seine Anschuldigungen zu untermauern.
Er sagte, er sei "besorgt über mögliche Provokationen Kiews, die den Einsatz einer schmutzigen Bombe beinhalten".
Andere hochrangige russische Befehlshaber äusserten die gleiche Behauptung.
In einer gemeinsamen Erklärung erklärten die Aussenminister Frankreichs, Grossbritanniens und der USA, dass ihre Regierungen "die offensichtlich falschen Behauptungen Russlands, die Ukraine bereite den Einsatz einer schmutzigen Bombe auf ihrem eigenen Territorium vor, zurückweisen" und betonten, dass sie die Ukraine angesichts des "brutalen Angriffskrieges von Präsident [Wladimir] Putin" weiterhin unterstützen würden.
Militäranalysten stellen fest, dass die russischen Anschuldigungen nach einer Reihe schwerer russischer militärischer Niederlagen und angesichts der fortgesetzten Gegenoffensive der ukrainischen Truppen im Osten und Süden des Landes erhoben werden.
Seit Russland im Februar in die Ukraine einmarschiert ist, hat die 30 Nationen umfassende Nato Kiew mit Waffen und militärischer Ausbildung im Wert von Milliarden von Dollar versorgt, weigert sich aber, direkt einzugreifen - mit Luftunterstützung oder Truppen -, da die Ukraine kein Mitglied ist.
Präsident Zelensky beschuldigte Russland, "die Quelle von allem Schmutz zu sein, den man sich in diesem Krieg vorstellen kann".
Er sagte, Russland drohe der Welt "mit einer Strahlenkatastrophe" im Atomkraftwerk Saporischschja, das es eingenommen habe, und sprach auch von Moskaus Drohungen, einen grossen Staudamm in der Südukraine zu sprengen. Der Kreml streitet die Anschuldigungen ab.
Der ukrainische Staatschef sagte, dass "die Welt auf die härteste Art und Weise reagieren sollte".
Wallace wies Schoigus Behauptungen zurück, die Ukraine plane Aktionen, die von westlichen Ländern, darunter Grossbritannien, unterstützt würden, um den Konflikt in der Ukraine zu eskalieren.
Er warnte ausserdem, dass solche Behauptungen "nicht als Vorwand für eine weitere Eskalation benutzt werden sollten".
Das in den USA ansässige Institute for the Study of War (ISW) erklärte in einer Reihe von Tweets, dass Schoigu "wahrscheinlich versucht hat, die westliche Militärhilfe für die Ukraine zu verlangsamen oder auszusetzen und möglicherweise das Nato-Bündnis durch angstmachende Aufrufe zu schwächen".
Die ISW fügte jedoch hinzu: "Es ist unwahrscheinlich, dass der Kreml einen bevorstehenden Anschlag mit einer schmutzigen Bombe unter falscher Flagge vorbereitet. Schoigus Behauptungen sind eine Fortsetzung einer langjährigen russischen Informationskampagne."
Weitere Entwicklungen am Sonntag:
