Amerikanska tjänstemän beskrev SU-27-planets ingripande på onsdag som "farligt och oprofessionellt".
Rysslands försvarsministerium sade att det amerikanska planet hade närmat sig ryskt territorium och att SU-27-piloterna hade följt internationella regler.
Ryssland genomför för närvarande militära övningar i Svarta havet.
Pentagon talesman kapten Jeff Davis sade den amerikanska flottan P-8A Poseidon flygplan hade genomfört rutinmässiga operationer i internationellt luftrum när den ryska fighter gjorde den osäkra manövern.
"Dessa åtgärder har potential att i onödan trappa upp spänningar, och kan leda till en felbedömning eller olycka", sade han.
En amerikansk försvarstjänsteman som citerades av AFP:s nyhetsbyrå sade att det ryska planet hade flugit inom 30 meter från P-8A innan det stängdes till bara 10 meters höjd.
Det ryska försvarsdepartementet sade emellertid att soldater avlyssnade det amerikanska planet eftersom det var på väg mot ryskt territorium med sin transpondersignal - som hjälper andra att identifiera det - avstängd.
"Efter de ryska fighters kom nära spionplan för visuell bekräftelse och för att bestämma deras vingnummer, det amerikanska flygplanet ändrade kurs kraftigt och flög iväg," ett uttalande sade.
"De ryska piloterna agerade i strikt överensstämmelse med internationella regler för flygningar."
Förbindelserna mellan Ryssland och väst har varit ansträngda sedan den ryska annekteringen av Krim från Ukraina i mars 2014.
I april klagade USA på att ryska jetplan hade konfronterat ett av sina spaningsplan över Östersjön på ett "osäkert och oprofessionellt sätt".
I den händelsen sade Ryssland också att det amerikanska planet hade stängt av sin transpondersignal.
Pentagon säger att ett ryskt stridsflygplan flög inom omkring tre meter från ett av dess spaningsflygplan som flyger över Svarta havet.