De möttes i Berlin och kritiserade också Rysslands flyganfall i Syrien.
Det var deras första toppmöte sedan Donald Trump vann det amerikanska presidentvalet. Trump har kritiserat Nato och sade att han hoppades på varmare band med Ryssland.
Under tiden, Mr Trump och Natos chef "underförde den bestående betydelsen av Nato", sade den militära alliansen.
I ett uttalande sade Nato generalsekreterare Jens Stoltenberg hade talat per telefon till Mr Trump, gratulera honom till hans val seger.
I den tyska huvudstaden träffade president Barack Obama - som har varit på en avskedsresa till Europa i slutet av sina två mandatperioder - förbundskansler Angela Merkel, brittisk premiärminister Theresa maj, Frankrikes president Francois Hollande, Italiens premiärminister Matteo Renzi och Spaniens premiärminister Mariano Rajoy.
I ett uttalande från Vita huset sades det senare att ledarna hade "bekräftat vikten av fortsatt samarbete genom multilaterala institutioner, däribland Nato".
Det sades att de "enades om att det är nödvändigt att arbeta kollektivt för att föra den transatlantiska agendan framåt, särskilt när det gäller att stabilisera Mellanöstern och Nordafrika".
När det gäller Ukraina sade ledarna att de sanktioner som införts mot Ryssland måste finnas kvar tills Moskva helt har uppfyllt sina åtaganden att lösa konflikten.
Västnationerna anklagar Ryssland för att skicka sina trupper och vapen till östra Ukraina för att stödja separatistkrigare - ett påstående Moskva förnekar.
När det gäller Syrien sade president Barack Obama och EU:s ledare att attackerna mot staden Aleppo av syriska regeringstrupper och Ryssland " omedelbart bör stoppas".
May sade att ledarna "enades i vårt fördömande av de grymheter som äger rum där".
"Vi enades om behovet av att fortsätta att utöva påtryckningar på Ryssland, inklusive möjligheten till sanktioner mot dem som bryter mot internationell humanitär rätt", tillade hon.
Ryssland inledde sina flyganfall i Syrien i september 2015 och sade sig agera på begäran av president Bashar al-Assad. Moskva förnekar att man angriper civila och säger att man bombar islamiska militanter.
I en separat utveckling i Berlin sade May att förberedelserna för Storbritanniens utträde ur EU var "på rätt spår".
"Vi står redo att utlösa artikel 50... i slutet av mars 2017."
Tysklands finansminister Wolfgang Schaeuble berättade tidigare för Financial Times att Storbritannien kanske måste fortsätta att betala in i EU:s budget i mer än ett decennium efter det att landet lämnat EU.
Han sade att Storbritannien måste "uppfylla sina åtaganden" till EU fram till dess att landet avgår - och eventuellt därefter.
Utgående USA:s president Barack Obama och EU:s ledare har bekräftat sitt engagemang för Natos enighet och sanktioner mot Ryssland i samband med krisen i Ukraina.