Eksplosjonene skjedde ved Sayyida Zeinab-moskeen, en sjiamuslimsk helligdom sør i den syriske hovedstaden Damaskus.
Ifølge nyhetsbyrået AFP har terrorgruppen Den islamske staten (IS) tatt på seg skylden for angrepet.
45 mennesker er bekreftet drept, og 110 ble såret i de to eksplosjonene, ifølge det statlige syriske nyhetsbyrået SANA.
Eksilgruppa Syrian Observatory for Human Rights, som henter sine opplysninger fra et nettverk av aktivister inne i Syria, melder at dødstallet er minst 58.
- Les også:
Bilbombe og selvmordsaksjonist
En bilbombe forårsaket den ene eksplosjonen, mens den andre bomben ble utløst av en selvmordsaksjonist.
Sayyida Zeinab-moskeen, der barnebarnet til profeten Muhammed ifølge troen er gravlagt, har også tidligere vært mål for angrep.
Buss sprengt i fjor
I februar 2015 ble fire mennesker drept og 13 såret i to selvmordsangrep mot moskeen, og ni libanesiske pilegrimer ble drept da bussen deres ble sprengt på vei til helligdommen samme måned.
Al-Qaidas forlengede arm i Syria, Nusrafronten tok på seg ansvaret for bussangrepet.
Vanskelige fredsforhandlinger på trappene
Søndagens angrep i Damaskus skjer samme dag som den største opposisjonskoalisjonen i Syria, High Negotiations Committee (NHC), åpnet for å starte forhandlinger i Genève.
– Vi ønsker å starte forhandlinger og vi vil at det internasjonale samfunn skal ta seriøse skritt på veien mot å implementere Syria-resolusjonen som ble signert av 15 medlemmer av FNs sikkerhetsråd, sa NHC-talsmann Salem al-Meslet på en pressekonferanse søndag formiddag.
Det var lenge uklart om opposisjonsgruppa ønsket å delta i forhandlingene. Før helgen kom det meldinger om at de ikke ønsket å forhandle så lenge det faller russiske bomber over Syria.
«Lenke mellom opposisjonen og terrorisme»
Delegasjonen som forhandler på vegne av president Bashar al-Assad hadde innledende samtaler med FN-utsending Staffan de Mistura fredag.
Søndag sa delegasjonsleder Bashar al Jaafari at bombeangrepet i Damaskus «viser at det er en lenke mellom opposisjonen og terrorisme», ifølge Reuters.
