Utrikesdepartementet sa att ett ryskt jetplan flög in i sitt luftrum vid gränsen till Syrien på fredag. Moskva beskrev påståendet som "grundlös propaganda".
Spänningen mellan de två länderna har varit hög sedan november, då Turkiet sköt ner ett ryskt jetplan.
Ryssland har genomfört flyganfall i Syrien sedan september.
Den har riktat styrkor mot Syriens president Bashar al-Assads regering, dess allierade.
I ett uttalande sade det turkiska utrikesdepartementet att ett ryskt SU-34-plan gick in i turkiskt luftrum klockan 11:46 lokal tid på fredag, utan att ignorera flera varningar på ryska och engelska.
Det sades att ministeriet hade kallat den ryska ambassadören i Ankara att "starkt protestera mot och fördöma" händelsen.
Turkiets president Recep Tayyip Erdogan varnade på lördagen för att Ryssland "måste ta konsekvenserna om det fortsätter med sådana kränkningar".
"Sådana oansvariga åtgärder gynnar varken Ryska federationen eller förbindelserna mellan Ryssland och Nato eller regional och global fred", berättade han för journalisterna.
Han sade att han upprepade gånger hade bett om ett möte med sin ryska motsvarighet, Vladimir Putin, utan framgång.
Nato - där Turkiet är medlem - uppmanade på lördag Ryssland "att agera ansvarsfullt och respektera Natos luftrum fullt ut" och "att vidta alla nödvändiga åtgärder för att se till att sådana kränkningar inte upprepas".
Förbindelserna mellan Ryssland och Turkiet, en högljudd motståndare till Assad, rasade efter att turkiska F-16:or sköt ner en rysk SU-24 den 24 november.
Turkiet sade att planet trängde in i sitt luftrum och ignorerade upprepade varningar om att lämna.
Ryssland insisterade på att jetplanet aldrig hade korsat över från syriskt territorium och inte fick några varningar.
De två ledarna inledde ett ordkrig och Ryssland införde en rad sanktioner för att skada Turkiets ekonomi.
Moskvas förbud mot import av turkiska livsmedel, försäljning av charter semester för ryssar till Turkiet och de flesta byggprojekt med turkiska företag förväntades kosta den turkiska ekonomin minst $ 10 miljarder.
Turkiet har anklagat Ryssland för att återigen bryta mot sitt luftrum och varnat landet för att "se konsekvenserna" om sådana överträdelser fortsätter.