Ambos se estrecharon la mano al principio del encuentro en Minsk, la capital bielorrusa, sólo unas horas después de que Kiev dijo que había capturado a soldados rusos en "misión especial" en territorio ucraniano.
En respuesta al vídeo que los mostraba, una fuente del Ministerio de Defensa ruso dijo a agencias de noticias que los militares cruzaron la frontera por error.
Moscú ha negado la acusación de Kiev de que envía armas y combatientes para ayudar a los separatistas en el este de Ucrania.
Estados Unidos y la UE han apoyado a Kiev imponiendo sanciones a Moscú en un enfrentamiento que ha llevado tanto a Rusia como a la OTAN a aumentar sus maniobras militares.
"Estamos convencidos de que hoy, (la crisis ucraniana) no puede resolverse con una escalada mayor del escenario militar sin tener en cuenta intereses vitales de las regiones del sureste del país y sin un diálogo pacífico con sus representantes", declaró Putin.
El presidente ruso dijo que la economía de su país perderá unos 100.000 millones de rublos (unos 2.100 millones de euros) si productos europeos llegan a sus mercados a través de Ucrania, después de que Kiev firmó un acuerdo comercial con la UE en junio.
Moscú dijo que responderá con medidas comerciales en caso de que ocurra.
Poroshenko respondió defendiendo un plan de paz que presentó en junio, cuando los rebeldes en la región suroriental de Donbass rechazaron su invitación a deponer las armas y dejar la zona por un corredor seguro.
"La principal condición para una estabilización de la situación en Donbass es el establecimiento de un control efectivo sobre la frontera ruso-ucraniana. Es vital hacer todo para parar las entregas de armas y material a los combatientes", afirmó.
Más de 2.000 personas han muerto desde abril en los combates, pero el Ejército ucraniano ha conseguido arrinconar a los rebeldes en dos bastiones en el este de la antigua república soviética.
La encargada de política exterior de la Unión Europea, Catherine Ashton, y los presidentes de Bielorrusia y Kazajistán también estuvieron presentes en el encuentro de Minsk.
Poroshenko se refirió a ellos por su nombre, pero en cambio habló de Putin como "el liderazgo de la Federación Rusa".
Preguntado posteriormente si había mantenido un encuentro bilateral con Putin, respondió que "aún está por llegar" y agregó que "por el momento hay conversaciones multilaterales".
Rusia ha pedido un alto el fuego en numerosas ocasiones y apoya lo que califica como un "diálogo de unidad nacional" que impulse las competencias de las regiones ucranianas.
Pero un alto el fuego unilateral de Kiev en junio fue considerado por la mayoría de los ucranianos como una ocasión que permitió a los rebeldes ganar tiempo para reagruparse, y Poroshenko tendría difícultades para conseguir apoyo en casa para uno nuevo, especialmente ahora que las tropas gubernamentales parecen tener las de ganar.
Ucrania también se resistirá a cualquier acuerdo que dé a las regiones del este más poder sobre decisiones políticas, lo que bloquearía un acercamiento de Kiev a la UE o a la OTAN.
"Probablemente es difícil un acuerdo histórico, pero hoy deberíamos empezar a avanzar hacia la paz", dijo el presidente bielorruso, Alexander Lukashenko.
