Han svarade på rapporter om att Peking har utplacerat luftvärnsrobotar på en omstridd ö i regionen.
Kina avfärdade rapporterna som "hype", men sade att det hade rätt enligt internationell rätt att försvara sig.
Flera nationer hävdar territorium i det resursrika Sydkinesiska havet, som också är en viktig transportväg.
En talesman för Kerry sa att satellitbilder verkade bekräfta att Kina hade utplacerat luftvärnsrobotar på Woody eller Yongxing Island i Paracels.
Ön hävdas av Kina, Taiwan och Vietnam och närvaron av missiler skulle avsevärt öka spänningarna.
Kerry sa att USA förväntade sig att ha ett "mycket allvarligt samtal" med Kina över sin närvaro.
"Det finns varje dag bevis för att militariseringen har ökat från ett eller annat slag. Det är en allvarlig oro, sade han.
De senaste bilderna av Woody Island fångades av ImageSat International.
En bild daterad den 3 februari visar en strand på ön tom. Den 14 februari innehåller den flera missilkastare och stödfordon.
Men den kinesiske utrikesministern, Wang Yi, sade att rapporter var en västerländsk media uppfinning.
Han försvarade "de begränsade och nödvändiga självförsvarsanläggningarna" på öar som beboddes av kinesisk personal som "i överensstämmelse med rätten till självbevarelse och självförsvar.... enligt internationell rätt".
Kina har utfört omfattande markåtervinningsarbete i regionen, vilket man säger är lagligt och för civila ändamål.
Men arbetet har förargat andra länder som också hävdar territoriet, och det finns en växande oro för konsekvenserna av att området blir militariserat.
Tvisten om Sydkinesiska havet har varit föremål för debatt vid ett möte mellan regionala ledare för Sydostasiatiska området i Kalifornien.
USA:s president Barack Obama sade att medlemmarna hade diskuterat behovet av "materiella åtgärder" för att minska spänningarna.
Rivalländerna har trängt sig över territoriet i Sydkinesiska havet i århundraden, men spänningarna har stadigt ökat under de senaste åren.
Taiwan, Kina, Vietnam, Filippinerna, Malaysia och Brunei gör anspråk på sina holmar och vatten helt eller delvis.
Kina har stött sina expansiva anspråk med öbyggande och sjöpatruller, medan USA säger att man motsätter sig begränsningar av sjöfartens frihet och olagliga suveränitetskrav - av alla sidor, men av många sett som riktade mot Kina.
Friktionerna har väckt oro över att området håller på att bli en flampunkt med globala konsekvenser.
USA:s utrikesminister John Kerry säger att Washington är allvarligt oroad över ökad kinesisk militarisering i det omtvistade Sydkinesiska havet.