Enligt syriska medier sprängde en självmordsbombare ett bombbälte inne i kyrkan S:t Elias på söndagen.
Vittnen på plats sade att förstörelsen var stor och att attentatet kan ha krävt ett stort antal dödsoffer. Räddningstjänst på plats uppgav att man initialt kunde bekräfta 15 dödsoffer. Senare kom uppgiften i statligt styrda nyhetsbyrån Sana att antalet döda stigit till 20.
Enligt samma källa, som refererar till lokala myndigheter, har minst 50 personer skadats.
Gärningsmannen öppnade eld mot kyrkobesökarna inne i kyrkan innan han sprängde självmordsbältet, enligt de första vittnesmålen från attacken.
En person som befann sig i en butik mittemot kyrkan uppger att skott och en explosion hördes och vid kyrkan sågs ”resterna av träbänkar som kastats hela vägen till ingången”.
Ziad, 40, sade från en butik mittemot kyrkan att han hörde skottlossning och sedan en explosion, och tillade att "vi såg eld i kyrkan och resterna av träbänkar som kastats hela vägen till ingången".
Attentatet skedde i stadsdelen Dwelaa, och enligt obekräftade uppgifter tillhörde gärningsmannen terrorrörelsen IS.
Attacken är den första av sitt slag i den syriska huvudstaden sedan islamistiska rebeller störtade den mångårige diktatorn Bashar al-Assads regim. Säkerheten är fortfarande en av de största utmaningarna för landets nya myndigheter.