Missilen nådde en höjd av omkring 3.000 kilometer och landade i havet utanför Japan, sade det japanska nationella programföretaget NHK.
Det kommer tre veckor efter Nordkoreas första ICBM-test.
Som svar, den amerikanska och sydkoreanska militären genomförde en live-eldning övning med hjälp av yt-till-yt missiler, sade en amerikansk försvarstjänsteman.
Missilerna avfyrades i "territoriella vatten i Sydkorea längs östkusten", sade en amerikansk militär uttalande.
Den senaste nordkoreanska missilen flög högre, längre och längre än den i början av juli. Dess lansering har fördömts av ett antal länder.
Testet - den 14:e som genomfördes av Nordkorea 2017 - är det senaste som genomförs i trots mot ett FN-förbud.
USA: s president Donald Trump kallade det "bara den senaste vårdslösa och farliga åtgärder av den nordkoreanska regimen".
Jeffrey Lewis, expert på icke-spridning av kärnvapen vid Middlebury Institute of International Studies i Kalifornien, sade att de första indikationerna visade att den senaste missilen hade en räckvidd på omkring 10.000 kilometer - tillräckligt långt för att slå till mot Förenta staternas västkust och vidare.
Washington Post rapporterade att Denver och eventuellt Chicago nu kan vara i Nordkoreas räckvidd.
Den senaste missilen avfyrades vid 23:41 (15:41 GMT) från en vapenfabrik i Jagangprovinsen i norra delen av landet, sade Pentagon.
Det är ovanligt att Nordkorea avfyrar en missil på natten - betydelsen är ännu oklar. Inga missiler hade avfyrats från Jagangprovinsen tidigare, vilket tyder på att en tidigare okänd avfyrningsplats är i drift.
Japansk chefsminister Yoshihide Suga sa att missilen flög i cirka 45 minuter - ungefär sex minuter längre än den ICBM som testades i början av juli.
NHK sade att den nådde en höjd av omkring 3.000 km - omkring 200 km högre än den tidigare ICBM. Den landade 1 000 km från uppskjutningsplatsen, sa Pentagon.
ICBM kan nå höjder långt utanför jordens atmosfär. Med hjälp av vassa banor med höga höjder kan Nordkorea undvika att skjuta över grannländer.
I den senaste reaktionen:
Trots pågående tester tror experter att Pyongyang ännu inte har möjlighet att minimera en kärnstridsspets, passa den på en långdistansmissil, och se till att den är skyddad tills leverans till målet.
De säger att många av Nordkoreas missiler inte riktigt kan träffa mål.
Andra anser dock att Pyongyang i den takt det går kan övervinna dessa utmaningar och utveckla ett kärnvapen inom fem till tio år som skulle kunna drabba USA.
USA har installerat ett missilförsvarssystem i Sydkorea för att bekämpa hotet från norr, men Terminal High-Altitude Area Defense System (Thaad) har förargat många i regionen, särskilt Kina.
Sydkoreas president sa att han ville ha samtal med USA om att sätta in fler Thaad-enheter efter de senaste testerna, rapporterade Yonhap.
Nordkorea har genomfört ett nytt interkontinentalt ballistiskt missiltest, Sydkorea och Pentagon säger.