1.800 soldater deltar i övningen Rapid Trident som ska pågå under två veckor. Liknande övningar har hållits tidigare, men ingen lika stor som nu.
Det ryska utrikesdepartementet varnar i ett uttalande för att övningen kan få ”explosiva följder” och hota fredsprocessen i den krigshärjade östra delen av landet.
Sedan Ryssland för ett och ett halvt år sedan annekterade Krimhalvön har USA och Nato på olika sätt skärpt närvaron i regionen.
Ukraina är inte medlem i Nato, men Ukrainas president Petro Porosjenko har tidigare uttryckt att han vill att Nato skickar vapen som hjälp i konflikten mot de proryska separatisterna i öst.