Más de 2.000 manifestantes se dirigieron al final de la manifestación hacia el edificio custodiado por la policía, en el que medio centenar lograron entrar.
Varios manifestantes quitaron la bandera ucraniana que ondeaba sobre el edificio e izaron en su lugar una bandera rusa.
Los manifestantes, que reclamaban un referéndum sobre la independencia de la región y su unión con Rusia, llevaban carteles que decían "Donetsk, ciudad rusa" y "OTAN go home".
En el este de Ucrania, mayoritariamente rusohablante, se registra una gran tensión desde que el presidente Vicktor Yanukovich, favorable a Rusia, fuera derrocado por manifestantes proeuropeos y grupos ultranacionalistas de extrema derecha.
Varias personas han muerto en manifestaciones.
Por otra parte, los manifestantes protestaron frente a un edificio de los servicios de seguridad ucranianos (SBU) en otra gran ciudad del este del país, Lugansk, también después de un mitin prorruso, constató un fotógrafo de la AFP.
Algunos manifestantes encapuchados pedían la liberación de los militantes prorrusos detenidos durante las anteriores manifestaciones. Primero tiraron huevos y luego piedras contra el local del SBU, rompiendo los vidrios.
El presidente ruso Vladimir Putin se comprometió a "defender por todos los medios" a las poblaciones rusohablantes de las repúblicas que formaron parte de la Unión Soviética.
La crisis entre Rusia y Ucrania tuvo como consecuencia la incorporación de la república de Crimea a Rusia tras un referéndum que el gobierno ucraniano y los países occidentales no reconocen.