Generalsekreteraren Jens Stoltenberg sade att Ryssland inte hade lämnat någon "verklig förklaring" till överträdelsen, som "varade länge".
Ryssland säger att lördagens intrång var kort och på grund av dåligt väder. Den undersöker påståenden om en annan överträdelse.
Turkiets armé säger också att ett oidentifierat stridsflygplan låste sin radar på åtta av sina jetplan på måndagen.
Det påminner om en liknande händelse på söndagen, när en oidentifierad Mig-29 - som analytiker säger kan ha varit syrier - låst sin radar på turkiska jetplan i mer än fem minuter över den turkisk-syriska gränsen.
Missilsystem i Syrien var också låsta på turkiska flygplan i mer än fyra minuter på måndagen, säger den turkiska militären.
Händelserna med Mig-29 flygplan "belysa" turkiska F-16 jetplan med sina radar - en preliminär för att faktiskt engagera dem - tyder på en ny bestämdhet från den syriska flygvapnets sida.
Ryssland har, såvitt vi vet, inte utplacerat Mig-29s som en del av sin flygexpeditionsstyrka till Syrien. Den har dock tidigare försett sin syriska motsvarighet med flygplanet.
Några - åtminstone - av Syriens Mig-29-grupper är fortfarande i drift; de har faktiskt, som en kämpe snarare än ett markattacksflygplan, flugit mycket mindre under Syriens utdragna inbördeskrig.
Syrien och Turkiet har en svår historia av incidenter under de senaste åren. Under 2012 sköt syriska missiler ner ett turkiskt fantomflygplan utanför Medelhavskusten.
Förra året sköt turkiska jetplan ner en syrisk Mig-23 som hade förirrat sig in i turkiskt luftrum tillsammans med en syrisk helikopter tidigare i år. Så spänningarna är verkliga och möjligheten till ett dödligt möte någonsin närvarande.
Syrien upprätthåller fortfarande någorlunda sofistikerade missilförsvar, men många baser har överskridits och det är långt ifrån ett integrerat nationellt system.
Ett stort spel: Kan Ryssland och USA undvika sammandrabbningar?
Där de viktigaste länderna står: Vem stöder vem?
Varför? Vad? Hur? Fem saker du behöver veta om Rysslands inblandning
Vad kan Rysslands flygvapen göra? Den USA-ledda koalitionen har misslyckats med att förstöra IS. Kan Ryssland göra något bättre?
På tisdagen sade Syriens statliga TV att Ryssland hade träffat delar av Palmyra, som hålls av Islamiska staten (IS) militanter och är känd för sina närliggande antika ruiner, men Ryssland förnekade påståendena.
Det brittiska syriska observatoriet för mänskliga rättigheter sa att 15 IS-plan dödades i flyganfallen i Palmyra.
Rysslands försvarsministerium sa att det flög 20 sorter på tisdag och slog 12 IS-mål.
Det sade fältläger, explosiva förråd och livsmedelsförråd förstördes i den nordvästra provinsen Idlib, där rebellgrupper har gjort betydande vinster mot regeringsstyrkor under de senaste månaderna.
Ryssland inledde sin flygkampanj i Syrien i onsdags.
Det säger sig vara inriktat på "alla terrorister" i samordning med Syriens regering, men Nato och de allierade staterna har uttryckt oro över att de koncentrerar sina attacker på rebellgrupper som är motståndare till president Bashar al-Assad, några av dem som stöds av väst, och inte jihadistiska grupper som IS.
Turkiet har två gånger kallat den ryska ambassadören - en gång över den första överträdelsen, som inträffade på lördagen, och en gång över en andra överträdelse som Turkiet säger ägde rum på söndag.
I den senaste reaktionen:
Stoltenberg kallade den ryska överträdelsen "oacceptabel", säger Nato tar den "mycket allvarligt" och varnar för att "tillbud, olyckor, kan skapa farliga situationer"
Det hade skett "en betydande militär upprustning" av Ryssland i Syrien, inklusive marktrupper och marin kapacitet, sade han.
Rysslands president Vladimir Putin har förnekat att civila har dödats av ryska strejker under den senaste veckan, men bevis på plats har indikerat något annat.
En USA-ledd koalition har genomfört flygstrejker mot IS i Syrien och Irak sedan september förra året, vilket rättighetsgrupperna säger också har orsakat civila dödsfall.
Syriens konflikt, som inleddes 2011, har lämnat mer än 250 000 döda och ungefär hälften av landets befolkning fördrivna.
Rysslands brott mot turkiskt luftrum under helgen "inte ser ut som en olycka", har Nato sagt.