Det gamla 80-talsavtalet för att begränsa medeldistansrobotar hänger i en skör tråd sedan först USA och sedan Ryssland beslutat sig för att hoppa av.
Nato pekar främst finger mot rysk utveckling och utplacering av roboten SSC-8.
- Det finns inga nya amerikanska robotar i Europa, men det finns fler och fler ryska. Därför är INF-avtalet i fara, säger Stoltenberg i Bryssel.
Han manar Ryssland att "ta sitt ansvar" under de kommande månaderna.
- Nato vill inte ha en ny kapprustning. Det tjänar inte någons intressen, hävdar Nato-basen.
Utöver INF-avtalet kommer Natos försvarsministrar under veckan att bland annat diskutera läget i Irak och Afghanistan och medlemsländernas försvarsbudgetar. Samtidigt får ministrarna chans att bekanta sig med sin kollega från alliansens blivande medlem nummer 30.
- Den framtida Republiken Nordmakedonien har nu en plats vid Natos bord, säger Stoltenberg i Bryssel.
Försvarsministermötet avslutas på torsdag med en särskild sittning med Natos "partner inom EU" – det vill säga utrikeschefen Federica Mogherini, Sveriges försvarsminister Peter Hultqvist (S) och Finlands Jussi Niinistö.
Tolv länder fanns med från start när militäralliansen Nato bildades 1949: Belgien, Danmark, Frankrike, Island, Italien, Kanada, Luxemburg, Nederländerna, Norge, Portugal, Storbritannien och USA.
Därefter har ytterligare 17 länder tillkommit:
Medlemsland nummer 30 väntas bli Makedonien – under nya namnet Nordmakedonien – så fort samtliga medlemsländer ratificerat landets inträde.