USS Stethem seglade inom de territoriella gränserna för Triton Island, en del av Paracelöarna, hävdade av Kina och andra.
Kina svarade genom att skicka stridsskepp och stridsflygplan till ön.
Händelsen inträffade strax innan ledarna i de två länderna skulle tala i telefon.
USA har upprepade gånger varnat Kina för dess ockupation och aggressiva återupptagande av öar i omstridda vatten, men Peking säger att det ligger inom dess suveräna rätt att göra det.
USA: s president Donald Trump är på väg att tala med sin kinesiska motsvarighet Xi Jinping i ett på förhand arrangerat samtal på måndag.
I ett uttalande sent på söndagen bekräftade Kinas utrikesdepartement rapporter om att USS Stethem hade kommit in i de vatten som Kina hävdade.
Krigsfartyget hade seglat inom 12 nautiska mil från Triton Island som en del av sin "frihet för navigering" verksamhet, enligt nyhetsbyråer och Fox News med hänvisning till amerikanska försvarstjänstemän.
FN:s regler föreskriver att varje territorium kan kräva vatten upp till 12 nautiska mil från sin kust. Att ett amerikanskt fartyg seglar inom dessa gränser tyder på att USA inte erkänner dessa territoriella anspråk.
Peking sade att man skulle använda "alla nödvändiga medel för att försvara nationell suveränitet och säkerhet".
Den anklagade också USA för att "delibert röra upp problem" i regionen som Kina och sydöstra Asien grannar har "kylt ner och förbättrat situationen".
Den lilla ön påstås också av Vietnam och Taiwan. Kina har varit inblandat i sjötvister med flera av sina regionala grannar under de senaste åren.
USA genomför ett program kallat "fri sjöfart" som utmanar "överdrivna anspråk" på världens oceaner och luftrum.
Den utvecklades för att se till att alla länder följer FN:s sjöfartsregler.
Det amerikanska utrikesdepartementet säger att programmet fungerar genom diplomati, "operativa påståenden" från den amerikanska militären och samråd med andra regeringar.
Den militära operationen är den andra sedan Mr Trump tillträdde. I maj seglade USS Dewey mindre än 12 nautiska mil från en konstgjord ö byggd av Kina som kallas Mischief Reef, som är en del av Spratlyöarna.
USA:s försvarsminister James Mattis sade några dagar senare att USA inte skulle acceptera Kinas militarisering av konstgjorda öar i regionen.
Under tidigare år har USA genomfört sådana operationer mot Kina, Malaysia, Filippinerna, Taiwan och Vietnam.
Rivalländerna har trängt sig över territoriet i Sydkinesiska havet i århundraden, men spänningen har stadigt ökat under de senaste åren när Peking har börjat hävda sina anspråk.
Området är en stor sjöväg, och en rik fiskeplats, och tros ha rikliga olje- och gasreserver.
Taiwan, Kina, Vietnam, Filippinerna, Indonesien, Malaysia och Brunei gör anspråk på de olika öarna och vattnen helt eller delvis.
En stor del av konflikten har kretsat kring två grupper av öar, paracelserna och Spratlys.
Kina hävdar den största delen av territoriet, säger sina rättigheter går tillbaka århundraden, och utfärdade en karta i 1947 detalj sina anspråk.
Under president Xi Jinping, Kina har rasat upp sina territoriella påståenden, bygga konstgjorda öar och militära anläggningar på rev samtidigt utföra marin patruller i omstridda vatten.
Men Kina förnekar anklagelserna om militarisering och säger att anläggningarna är för civila ändamål och försvarsändamål.
Peking har kallat närvaron av ett amerikanskt krigsfartyg nära en omstridd ö i Sydkinesiska havet "en allvarlig politisk och militär provokation".