Under mötet i Bryssel på torsdagen sade Ukrainas president Volodymyr Zelenskyj att landets överlevnad endast kan säkerställas genom Nato-medlemskap eller genom egna kärnvapen.
Han sade att Ukraina gav upp sina sovjetiska kärnvapen 1994 i utbyte mot säkerhetsgarantier från Ryssland, USA och Storbritannien, men att säkerheten inte infriats.
– Vilken av dessa kärnvapenmakter har farit illa? Ingen. Men Ukraina har, sade Zelenskyj under toppmötet i Europeiska rådet.
– Vem gav upp sina kärnvapen? Ukraina. Och vem far illa i dag? Ukraina.
Zelenskyj betonade att om Ukraina inte kan ha kärnvapen som skydd, måste landet få tillgång till ett starkt militärallianssamarbete, där NATO är det enda praktiska alternativet.
Han hävdade dock att Ukraina inte försöker bygga kärnvapen utan att NATO-medlemskap är den starkaste säkerhetsgarantin.
På onsdagen presenterade Zelenskyj sin "segerplan" i ukrainska parlamentet, som inkluderar en inbjudan till NATO och fortsatta vapenleveranser.
Även om Natos generalsekreterare Mark Rutte uttryckt stöd för Ukrainas medlemskap, har hinder såsom Slovakiens premiärminister Robert Fico och Ungerns Viktor Orbán skapat osäkerhet kring om det blir möjligt med ett eventuellt Nato-inträde för Ukraina.