Natos generalsekreterare Jens Stoltenberg sade att de båda sidorna "inte är överens om fakta, berättelsen och ansvaret" om Ukraina.
Förbindelserna mellan Ryssland och väst har varit spända sedan Ryssland annekterade Ukrainas Krim-region 2014.
Rysslands sändebud kritiserade också Nato för en militärövning i Östersjön.
Onsdagens samtal i Bryssel tog mer än 90 minuter över tid.
"Många allierade är oense när Ryssland försöker framställa [Kuoruskonflikten] som ett inbördeskrig," Mr Stoltenberg berättade en ny konferens.
"Detta är Ryssland som destabiliserar östra Ukraina, ger stöd till separatister, ammunition, finansiering, utrustning och även ledning och kontroll."
Han tillade: " Nato och Ryssland har djupgående och ihållande meningsskiljaktigheter. Dagens möte ändrade inte det."
Stoltenberg sade att det är viktigt att hålla kommunikationskanalerna öppna "för att diskutera våra meningsskiljaktigheter och minska risken för militära incidenter".
Han sade också att de båda sidorna hade enats om vikten av att genomföra fredsavtalet i Minsk, som har lett till en bräcklig vapenvila i östra Ukraina.
Rysslands sändebud till Nato, Alexander Gryshko, sade att en USA-ledd missil jagare hade seglat nära den ryska hamnen i Kaliningrad förra veckan i ett försök "att utöva militära påtryckningar på Ryssland".
"Vi kommer att vidta alla nödvändiga åtgärder, försiktighetsåtgärder för att kompensera dessa försök att använda militär styrka", sade han.
I förra veckans incident flög två ryska stridsflygplan nära USA:s jagare nästan ett dussin gånger i internationella vatten i Östersjön.
Amerikanska tjänstemän beskrev det som "en aggressiv handling".
Nato-Ryssland-rådet inrättades 2002. Även om möten på ambassadörsnivå inte har ägt rum sedan juni 2014 har det förekommit en annan politisk dialog.
Ukraina och väst anklagar Ryssland för att i hemlighet stödja rebellerna som nu kontrollerar stora delar av östra Ukraina. Ryssland förnekar starkt påståendena.
Nato har sedan dess verkat för att stärka sina styrkor i sina östeuropeiska medlemsstater för att motverka vad man säger är en rysk militär uppbyggnad.
Ryssland har beskrivit Natos ökande närvaro i Östeuropa som ett hot mot landets nationella säkerhet.
Skillnaderna i konflikten i östra Ukraina har varit det första formella mötet i Nato-Ryssland på nästan två år.