Enligt syriska statsmedier sprängde gärningsmannen sitt bombbälte inne i kyrkan, belägen i stadsdelen Dwelaa.
Vittnen uppger att mannen först öppnade eld mot kyrkobesökarna innan han utlöste sprängladdningen.
– Vi såg eld i kyrkan och resterna av träbänkar som kastats hela vägen till ingången, säger Ziad, 40, som befann sig i en butik mittemot kyrkan.
Räddningspersonal uppgav först att 15 personer bekräftats döda, men senare meddelade den statliga nyhetsbyrån Sana att dödssiffran stigit till 20. Minst 50 personer ska ha skadats i attacken, enligt samma källa.
Ingen har ännu officiellt tagit på sig ansvaret för attentatet, men enligt uppgift ska gärningsmannen ha tillhört Islamiska staten (IS).
