Folkemengden rev ned ambassadens russiske flagg, veltet biler og kastet stein gjennom vinduene mens en rekke politifolk unnlot å gripe inn, ifølge nyhetsbyrået AFP.
Russland fordømmer lørdag kveld at det ukrainske politiet lot det skje.
Utenriksdepartementet kaller mangelen på reaksjon for «en grov krenkelse av Ukrainas internasjonale forpliktelser».
Også USA fordømmer angrepet på ambassaden, og utenriksdepartementets talskvinne Jen Psaki ber de ukrainske myndighetene sørge for å opprettholde sikkerheten.
Samtidig retter USA skarp kritikk mot Russlands rolle i konflikten.
USA truer Russland
USAs utenriksminister John Kerry truer Russland med reaksjoner dersom de ikke stanser våpenimporten til separatistene i Ukraina.
Russland på sin side krever at USA legger press på Ukraina for å stanse myndighetenes militære aksjon øst i Ukraina.
Utenriksministrene i USA og Russland snakket sammen lørdag på telefon om konflikten i Ukraina. USA uttrykker sterk bekymring for situasjonen.
- Følg den siste utviklingen i Ukraina i NRKs nyhetssenter
Skutt ned
Forsvarsdepartementet i landet har ikke gått ut med noe offisielt dødstall, men Vladyslav Seleznyov, talsmann for det ukrainske forsvaret, opplyser til nyhetsbyrået Reuters at 49 soldater ble drept i angrepet som skal ha skjedd sent fredag kveld.
Transportflyet med ukrainske soldater om bord var i ferd med å lande på en flyplass ved byen Luhansk da det ble truffet. Hvis alle om bord ble drept, er angrepet trolig et av de blodigste så langt i konflikten øst i Ukraina.
Artikkelen fortsetter under videoen:
Kynisk terrorhandling
Ukrainas president Petro Porosjenko samlet landets forsvars- og sikkerhetssjefer lørdag ettermiddag for å drøfte sikkerhetssituasjonen etter at transportflyet ble skutt ned av prorussiske separatister.
– De involverte i en kynisk terrorhandling av dette omfanget må straffes. Ukraina trenger fred, sier Porosjenko i en pressemelding.