Utrikesminister Sushma Swaraj sa att Kulbhushan Jadhav var "kidnappad" och prövade på "sammanslagna anklagelser".
Mr Jadhav greps förra året och dömdes på måndagen för "spionage och sabotage mot Pakistan".
Kort efter hans gripande, Islamabad släppt en video där han visades erkänna inblandning i spioneri.
Indien har alltid ifrågasatt den påstådda bekännelsen och sagt att den utvanns under tvång.
Det finns olika berättelser om hur och var Kulbhushan Jadhav hölls fången.
Pakistan säger att han fängslades den 3 mars 2016 i restive Balochistan provinsen, som har drabbats av en separatist uppror att Islamabad anklagar Indien för att stödja. Indien säger att han kidnappades av Pakistan medan han var i Iran.
I tisdags i det indiska parlamentet beskrev Swaraj dödsdomen som "en oförsvarlig dom" och varnade Pakistan för att "överväga konsekvenserna".
Minister Rajnath Singh lovade att regeringen skulle göra "vad som helst för att se till att Jadhav får rättvisa".
På måndagen sade Pakistan att han hade ställts inför rätta av en militär domstol och dömts till döden.
Pakistan sade han berättade för domstolen att han hade beordrats att "planera, samordna och organisera spionage / sabotage aktiviteter som syftar till att destabilisera och föra krig mot Pakistan".
Han har 40 dagar på sig att överklaga till domstolen, Pakistans mediarapport. Inget datum gavs för hans avrättning.
De kärnvapenbeväpnade grannarna har en lång historia av diplomatiska spattar och Delhi och Islamabad anklagar ofta varandra för att skicka spioner till sina territorier.
I november drog Pakistan tillbaka sex tjänstemän från sitt uppdrag i Delhi efter att de hade utvisats som misstänkta spioner av Indien.
Det läckte senare till pressen namn och foton på åtta påstådda indiska spioner som arbetade från Indiens uppdrag i Islamabad.
Men avrättningar för spioneri är sällsynta. År 1999 hängde Pakistan Sheikh Shamim 10 år efter hans fällande dom för spioneri.
Sarabjit Singh, en indisk man som dömdes till döden för spionverksamhet 1991, dog i fängelse 2013 i dödscell efter ett angrepp av andra fångar.
Indien säger att det kommer att göra "vad som än krävs" för att säkerställa rättvisa för en före detta marinofficer dömd till döden i Pakistan på anklagelser om spioneri.