Inför samtalen med sin amerikanska motsvarighet James Mattis sade Sir Michael att alltför få av de 28 medlemmarna mötte Natos årliga mål på 2 % för försvarsutgifterna och att länder behövde "höja sitt spel".
Trumpadministrationen har sagt att andra länder måste bära mer av kostnaden.
Sir Michael sa att Förenade kungarikets utgifter ökade, men de väpnade styrkorna måste fortsätta att se till att de var "lämpliga för ändamål".
Gen Mattis sade att Storbritannien var ett exempel för andra stater och dess "globala ledarskap behövs idag lika mycket som när som helst i historien".
Times har rapporterat att försvarsministeriet står inför ett budgetunderskott på 10 miljarder pund under nästa årtionde, vilket tyder på att detta kan leda till ytterligare personalnedskärningar.
För närvarande är det bara fem av de 28 Nato-medlemmarna - däribland USA och Storbritannien - som lägger ner 2 procent av sin årsinkomst på försvar.
Vita huset har varnat för att USA skulle kunna "modera" sitt engagemang för det 70-åriga försvarspartnerskapet om andra länder inte avsätter mer resurser.
Sir Michael, som håller samtal med den pensionerade marinkåren general, sade att USA alltid hade varit den finansiella stöttepelaren i Nato och ingen ville se det dra sig tillbaka från detta.
Han sade att Förenade kungariket alltid hade uppnått målet på 2 procent, men att alltför många andra inte gjorde det och att detta inte längre var acceptabelt.
"Det finns fem medlemmar av Nato som inte ens spendera 1% och jag kommer att arbeta med Jim Mattis på att övertyga dem att de måste höja sitt spel," sade han.
"Vi vill att andra länder ska axla en rättvisare andel. Till exempel att få dem att åta sig årliga ökningar och att sätta 2 %-målet i sina policydokument."
Han föreslog att offentliggörandet av en tabell varje år av de framsteg som länderna gör mot målet på 2 % skulle "kasta de andra till att öka sina försvarsutgifter".
Vid en gemensam presskonferens i Lancaster House sade Sir Michael att Nato var hörnstenen i den västerländska säkerheten men behövde vara "större och snabbare".
Gen Mattis sade att de två länderna var på en "jämlik grund" när det gäller att möta hotet från terrorism, står tillsammans som "bloss mot galningar som tror genom att skada oss de kan skrämma oss".
Deras "särskilda förhållande", menade han, var "inte en historisk artefakt utan en källa till styrka idag för våra två nationer".
De två diskuterar åtgärder för att modernisera Nato, inklusive effektivisering av ledningsstrukturerna, samt framsteg med en rad gemensamma utrustningsprojekt, inklusive F-35 Lightning Joint Strike fighter.
Sir Michael tillkännagav en investering på 90 miljoner pund på RAF Marham i Norfolk för att stödja Storbritanniens sändning av det nya flygplanet.
Men försvarsministern står inför frågor om Storbritanniens egen framtida förmåga mitt i rapporter om att ekonomiska påtryckningar kan leda till nedskärningar av personal, inklusive Royal Marines.
Försvarsministern sade att Storbritannien hade den femte största försvarsbudgeten i världen och regeringen åtog sig att öka försvarsutgifterna fram till 2020, inklusive att bygga många nya krigsfartyg.
Men han sade att de väpnade styrkorna inte var immuna mot att behöva bli effektivare och anpassa sig till förändringar i vad som begärdes av dem.
Han berättade idag programmet på BBC Radio 4 att "balansen" av resurser inom den kungliga flottan var en fråga för First Sea Lord.
"Vad jag säger till er är att vi har 7.000 Royal Marines... och jag har inte kommit överens om några nedskärningar i storleken på Royal Marines", sade han.
Han tillade: " Det vi ser på är det sätt på vilket våra väpnade styrkor arbetar, de olika uppgifter som de har och vi ser ständigt fram emot att se att de är ändamålsenliga i det vi gör.
"Så om något inte längre behövs, om det är överflödigt, måste vi se till att vi kan sätta besparingarna tillbaka i ny utrustning.
"Det gäller byggnader, det gäller också vårt sätt att arbeta och de effektivitetsvinster vi behöver."
Men Labour sade att "misstag och dåliga beslut" sedan 2010 nu skulle komma hem till tuppen och ministrarna måste vara tydliga med var framtida besparingar skulle komma ifrån.
"Ytterligare nedskärningar på 1 miljard pund varje år, för att kompensera för denna misshushållning av försvarsbudgeten, kommer att göra ännu allvarligare skada på vår försvarsmakt", sade skuggförsvarssekreterare Nia Griffith.
"Rapporter om att Royal Marines skulle kunna skäras är särskilt oroande...Försvarets sekreterare fortsatte att hänvisa till investeringar i utrustning men han behöver investera i våra styrkor personal för att se till att professionella standarder förblir höga."
Natomedlemmar kommer att "skyllas" till att spendera mer på alliansen, har försvarsminister Sir Michael Fallon sagt.