Selon un communiqué de la Maison Blanche, le président américain a également "exprimé la profonde préoccupation" des Etats-Unis et de leurs alliés face à l'accumulation de troupes russes à la frontière avec l'Ukraine.
"Les deux présidents ont chargé leurs équipes de donner suite (à l'échange) et les Etats-Unis le feront en étroite coordination avec leurs alliés et partenaires", a encore indiqué l'exécutif américain.
Le Kremlin n'avait pour sa part pas encore livré sa version de l'entretien entre les deux hommes, qui a duré deux heures.
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La télévision russe avait montré un échange de politesses au début de cette vidéoconférence, filmé du point de vue de Vladimir Poutine, assis face à un écran, derrière une longue table vernie dans sa résidence de Sotchi, une station balnéaire sur la mer Noire.
La Maison Blanche a pour sa part diffusé une photographie montrant le contre-champ: Joe Biden dans la "Situation Room", salle de crise ultra-sécurisée de la Maison Blanche, entouré de conseillers.
L'un d'eux, son conseiller à la sécurité nationale Jake Sullivan, répondra aux questions de la presse à 19 heures GMT à Washington.
Les Etats-Unis, accusés de faire cavalier seul lors du retrait d'Afghanistan et de mener certains dossiers internationaux sans trop d'égards pour leurs alliés, insistent lourdement sur leur étroite coordination avec les Européens et les Ukrainiens.
Joe Biden téléphonera d'ailleurs mardi au président français Emmanuel Macron, à la chancelière allemande Angela Merkel, et aux Premiers ministres italien Mario Draghi et britannique Boris Johnson pour faire suite à son échange avec Vladimir Poutine.
Il doit également, dans les jours qui viennent, rendre compte de la conversation au président ukrainien Volodymyr Zelensky, avait annoncé l'exécutif américain lundi.
Joe Biden a redit à son homologue russe "son soutien à la souveraineté et à l'intégrité territoriale" ukrainiennes, selon la Maison Blanche.
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Vladimir Poutine a serré la main de 5 présidents américains
"Stable" et "prévisible"
L'espoir du président américain d'établir une relation "stable" et "prévisible" avec la Russie, exprimé en juin lors d'un sommet en personne entre les deux hommes à Genève, semble avoir vécu, au moins pour le moment.
Washington, l'Otan et Kiev accusent Moscou de masser des troupes à la frontière avec l'Ukraine en vue d'attaquer le pays. Le scénario rappelle 2014 et l'annexion russe de la péninsule de Crimée, puis le déclenchement dans l'est ukrainien d'un conflit armé qui a fait plus de 13.000 morts.
Le Kremlin dément tout projet d'invasion. Et reproche à Washington de négliger ses propres préoccupations: l'activité accrue des pays de l'Otan en mer Noire, la volonté ukrainienne de rejoindre l'alliance atlantique et l'ambition de Kiev de s'armer auprès de l'Occident.
"La Russie n'a jamais eu l'intention d'attaquer qui que ce soit mais nous avons des lignes rouges", avait assuré Dmitri Peskov, le porte-parole du Kremlin, avant le sommet virtuel.
Beaucoup d'observateurs, en Europe et aux Etats-Unis, pensent que Vladimir Poutine bluffe avec le déploiement de forces aux frontières de l'Ukraine, mais peu écartent complètement l'hypothèse d'une attaque.
Si Moscou devait passer à l'acte, un haut responsable de la Maison Blanche avait prévenu avant le sommet de mardi que les Etats-Unis "répondraient favorablement" à une demande de présence militaire américaine accrue en Europe de l'Est et soutiendraient davantage l'armée ukrainienne.
Washington insiste aussi particulièrement sur la menace de sanctions économiques contre le régime russe. Et assure qu'elles seraient plus douloureuses que celles qui se sont empilées sans grand effet sur la Russie depuis 2014.
L'Union européenne est elle aussi prête à adopter des sanctions supplémentaires contre la Russie, a prévenu mardi la présidente de la Commission européenne, Ursula von der Leyen.
La tenue de ce sommet virtuel Biden-Poutine est déjà un succès pour la Russie, qui se veut une puissance géopolitique incontournable et arrache ainsi au moins temporairement le président américain à sa grande priorité stratégique, la rivalité avec la Chine.
Cela faisait quelques semaines que le Kremlin réclamait un face-à-face entre les deux présidents.
Les deux hommes ont aussi évoqué la cybersécurité et leur "travail commun sur des sujets régionaux tels que l'Iran", selon les Etats-Unis.
Washington accuse Moscou de fermer les yeux sur des attaques majeures au "rançongiciel" (ransomware) contre des entreprises américaines cet été, opérées depuis son territoire.