Dette er første gong Stoltenberg er på besøk i landet sidan Russland gjekk til angrep i februar 2022.
Under besøket møtte han mellom andre Ukrainas president Volodymyr Zelenskyj.
Dei to heldt ein felles pressekonferanse, der Stoltenberg annonserte at Ukrainas Nato-medlemskap vil bli diskutert på Nato-toppmøtet i juli.
– Ukraina si framtid er i Nato, alle allierte er einige om det, sa Nato-sjefen på pressekonferansen.
Han sa også ville diskutera militær støtte til Ukraina på møtet.
– Nato står ved dykk i dag, i morgon og for så lenge det er behov, sa Stoltenberg til den ukrainske presidenten.
Zelenskyj uttalte at det er på tide at Nato inviterer Ukraina med i forsvarsalliansen, og at dei ønska å vita når dei kunne bli medlem.
Presidenten er invitert til toppmøtet i sommar.
Overraskande besøk
I løpet av besøket heidra Nato-sjefen falne soldatar på St. Mikaels plass i sentrum av Kyiv, og besøkte forstaden Butsja.
– Eg blei djupt rørt av kva eg såg der, sa Stoltenberg.
Han skal også ha helsa på soldatar.
Besøket var ikkje annonsert på førehand.
Nato-sjefen skulle eigentleg ha tatt imot den tsjekkiske presidenten, Petr Pavel i Nato sitt hovudkvarter i Brussel torsdag føremiddag.
Bilde viser også Stoltenberg som ser på det som av nyheitsbyrået Reuters blir skildra som øydelagt russisk militærmateriell.
– Viktig å vise støtte
Ukraina kjem truleg til å starte ein større militær offensiv i løpet av nokre veker.
Våroffensiven vil vere avgjerande for utviklinga i krigen vidare, om russarane blir pressa ut, eller om det blir ein langvarig og fastlåst konflikt.
– Natos generalsekretær har truleg eit behov for å vise støtte til styresmaktene i Kyiv, og kanskje også bidra til å styrke kampmoralen før den varsla våroffensiven. Så har jo president Vladimir Putin nyleg vore på besøk i Aust-Ukraina, så dette er handlar om å vise at Ukraina har sterk vestleg støtte.
Det seier seniorforskar i Nupi, Julie Wilhelmsen.
– Kor viktig er dette besøket for Ukraina?
– Både våpenhjelp og moralsk støtte frå Vesten er svært viktig. Utfordringa her er at president Volodymyr Zelenskyj sitt uttalte mål om å ta tilbake Krim-halvøya truleg ikkje er eit mål som vestlege statar og Nato er villige til å hjelpe han med å nå.
På fredag skal Nato-sjefen etter planen delta i eit møte med den såkalla kontaktgruppa for Ukraina. Dette er ei samling frå 50 land som skal hjelpe landet med militært utstyr.
Møtet skal etter planen finne stad på Ramstein-basen utanfor Kaiserslautern i Tyskland.