Enligt turkisk militär ska det ryska planet av typen Su-24 ha varnats tio gånger på fem minuter.
Bombplanet möttes av patrullerande turkiska stridsflyg av typen F-16 och sköts sedan ned. På videoklipp från turkiska Habertürk syns det brinnande planet störta genom luften.
– Vi varnade dem för att gå in i turkiskt luftrum innan de gjorde det och vi varnade dem många gånger, säger en turkisk myndighetsrepresentant till nyhetsbyrån Reuters.
Det ryska försvarsdepartementet förnekar dock att planet kränkt det turkiska luftrummet.
Uppgifter: Piloterna har dödats
De två piloterna sågs hoppa från planet i fallskärm. Enligt uppgift från en turkmenisk rebellgrupp i det bergiga området för nedslagsplatsen, nära den syriska byn Yamadi, ska piloterna ha skjutits när de var på väg ner mot marken.
– Våra kamrater sköt i luften och de dog i luften, säger Alpaslan Celik, en befälhavare för den turkmeniska gruppen.
Att läget är allvarligt framgår inte minst av att Turkiet begärt att Natoländerna samlas till extramöte. Där redogjorde Turkiet för detaljerna om nedskjutningen, enligt en talesperson för Nato. Även FN har informerats om utvecklingen. Det är första gången som en Natomedlem skjutit ned ett ryskt eller sovjetiskt militärflyg sedan 1950-talet, enligt Reuters.