Ifølge menneskerettighetsgruppa Syrian Observatory for Human Rights, mistet i alt 48 personer livet i angrepet på skolen Akrameh al-Makhzumi i Homs. 74 personer skal ha blitt skadet.
Det doble bombeangrepet ble utført av én selvmordsbomber.
– Mannen plasserte en bombe på ett sted av skolen før han sprengte seg selv et annet sted på området, sier Abdel Rahman i menneskerettighetsgruppa til AFP.
Ingen grupper har så langt stått frem og sagt at de står bak drapene.
Kontrolleres av Assads regime
Ifølge lokale myndigheter var de drepte barna mellom seks og ni år.
Dødstallet skal være blant de høyeste for barn drept i selvmordsangrep i Syria siden den blodige borgerkrigen brøt ut for tre år siden.
En kjemisk angrep på opprørskontrollerte områder utenfor Damaskus i august i fjor drepte flere titalls barn. I 2012 ble 49 barn drept i det som omtales som Houla-massakren i Homs-provinsen.
Bilbombene gikk av i nabolaget Akrameh. I området bor mange alawitter, som tilhører den samme religiøse gruppen som president Bashar al-Assad.
Homs kontrolleres i dag av president Assads regime.
Det er ikke første gang området Akrameh er utsatt for angrep. Blant annet 19. juni i år førte en bilbombe til at minst seks personer ble drept.