Raketsystemet TOS-1 Buratino observerades av OSSE i Luhansk, en region som styrs av proryska rebeller.
Moskva förnekar anklagelser från Väst och Ukraina om att man skickar tunga vapen till separatisterna i regionerna Donetsk och Luhansk i östra Ukraina. Men enligt säkerhetsforskningsinstitutet IHS Jane's tillverkas TOS-1 Buratino bara i Ryssland.
”Avfyras urskillningslöst”
En talesperson för OSSE säger att upptäckten är särskilt viktig på grund av skadan raketerna kan orsaka.
– Det här är ett väldigt destruktivt vapen som avfyras urskillningslöst, säger han till BBC.
Kraftfullare än Gradraketer
Tidigare har rapporterats om att ryska Gradraketer använts på båda sidor i konflikten, men Buratino är ett betydligt kraftfullare system.
Ukrainas militär har tidigare hävdat att Buratino använts emot dem i östra Ukraina, men enligt OSSE är det här första gången säkerhetsorganisationen har observerat dem i regionen.