James Mattis bekräftande av USA: s engagemang för alliansen kommer efter nedsättande kommentarer från president Donald Trump.
Men Mattis upprepade också Trumps krav på att många Nato-länder ska öka sina militära utgifter.
Mötet kommer mitt i oron över den nya administrationens band med Ryssland.
Det följer också rapporter om att Ryssland bröt mot ett viktigt vapenkontrollavtal genom att använda en ny kryssningsrobot, rapporterar Kreml har avfärdat.
Trumps kommentarer, under hans kampanj, att USA kanske inte försvarar allierade som inte bidrar med sin "rättvisa andel" till Nato, har oroat många europeiska nationer, särskilt de nära Rysslands gräns.
Han var kritisk mot den västerländska militära alliansen och beskrev den som "föråldrad".
Men när Mattis talade i Bryssel sade han att Trumpadministrationen hade "starkt stöd" för Nato.
"Alliansen är fortfarande en grundläggande grundsten för USA och den transatlantiska gemenskapen, bundna som vi är tillsammans", sade han.
Samtidigt som han hyllade alliansens förmåga att reagera på säkerhetsutmaningar, sade han att det var ett "rättvist krav att alla som drar nytta av det bästa försvaret i världen ska bära sin proportionella andel av de nödvändiga kostnaderna för att försvara friheten".
Inför onsdagens möte visade Natos generalsekreterare Jens Stoltenberg en vilja att samarbeta med USA.
"Det viktigaste är att vi ökar försvarsutgifterna och det är precis vad vi gör."
När han anlände till samtalen i Bryssel sade han att han var "helt säker på att budskapet från detta möte kommer att vara ett budskap om transatlantisk enighet... och ett mycket starkt engagemang från Förenta staternas sida för Nato".
Och han sade att den militära alliansen skulle ha "allvarlig oro" om rapporter om att Ryssland hade brutit mot ett avtal om kalla kriget genom att skicka ut en kryssningsrobot visade sig vara sant.
Mr Mattis kommer att få starkt stöd från Storbritannien, ett av bara fem Natoländer för att uppfylla befintliga mål för försvarsutgifter, säger BBC:s försvars- och diplomatkorrespondent Jonathan Marcus.
Den brittiske försvarsministern Michael Fallon, som talade med reportrar när han kom till mötet, sade att han såg fram emot att arbeta tillsammans med Mattis med "de steg som behövs för att modernisera Nato, göra det smidigare och mer lyhördt och hur vi kan övertala andra länder att möta sin beskärda del av bördan genom att öka deras utgifter till 2 procent".
Men Michael Flynns avgång som USA:s nationella säkerhetsrådgivare - och den mullrande raden över Trumplagets kontakter med Ryssland - kommer sannolikt att orsaka oro bland 28-nationsgruppen, tillägger vår korrespondent.
När Mattis reste till Natomötet sade han till reportrarna att Flynns avgång inte skulle ha någon inverkan på hans roll.
Han berömde Nato och kallade det "den mest framgångsrika militära alliansen i historien".
Mattis har tidigare intagit en annan ståndpunkt än USA:s nya president i olika utrikespolitiska frågor.
Han har varnat för att Washington inte har tagit Rysslands militära åtgärder på tillräckligt stort allvar mot sina grannar - att annektera Krim och stödja separatister i Ukraina - och även kritiserat Trumps åsikt att Nato var "oförsiktigt" som "kooky".
Den nya amerikanska försvarsministern har hyllat Nato som den "grundläggande grundvalen" för det transatlantiska samarbetet, då han träffade försvarsministrarna för första gången.