En person skal være pågrepet, ifølge politiet.
En overvåkingsvideo viser en grå bil som stanser i en gate i Halle før en mann stiger ut av kjøretøyet og avfyrer flere skudd. Mannen er iført grønne militærlignende klær og hjelm.
Ifølge Deutsche Welle kan flere andre mistenkte ha flyktet fra stedet i en bil.
Ifølge Bild-Zeitung begynte en mann å skyte med et automatvåpen mot folk nær synagogen i Paulus-distriktet i byen. Det skal også ha blitt kastet en håndgranat inn på den jødiske kirkegården i nærheten.
Tysk høyreekstrem gjerningsmann
Tyske myndigheter sier onsdag kveld at angrepet var motivert av antisemittiske holdninger.
Innenriksminister Horst Seehofer sier at etterforskingsledere har grunn til å mene at angrepet ble utført av en tysker med forbindelser til det høyre-ekstreme miljøet, skriver nyhetsbyrået Associated Press.
Tyske Der Spiegel skriver at den pågrepne er en 27 år gammel tysker fra nærområdet til Halle.
Mannen hadde flere våpen med seg. Det sier vitner til den lokale kringkasteren Mitteldeutscher Rundfunk, MDR.
Flere medier skriver at gjerningsmannen hadde kamera som direktesendte angrepet på en videoplattform på internett. Ifølge The Independent skal han i videoen blant annet ha sagt at han er holocaust-fornekter.
Vitner sier at det også ble skutt mot en kebabrestaurant i nærheten av synagogen.
Politiet sperret av området rundt synagogen og restauranten. Hovedjernbanestasjonen i Halle ble også stengt i en periode og gjennomsøkt av politiet.
Politiet i Halle oppfordret innbyggerne i byen om å holde seg innendørs til situasjonen ble avklart.
Ifølge lokale medier var gatene nesten tomme for folk og biler utover ettermiddagen. Politiet lette i en periode etter flere mistenkte, men onsdag kveld slo politiet fast at de ikke har andre mistenkte enn den pågrepne.
Det var også skyting i byen Landsberg 15 kilometer øst for Halle onsdag. Også der har politiet gått til aksjon for å lete etter mulige gjerningsmenn.
Jom kippur
Det er fortsatt ikke bekreftet om angrepet var rettet mot synagogen i Paulusviertel-distriktet, men ifølge Der Spiegel avfyrte den ene av gjerningsmennene skudd mot døren og forsøkte å ta seg inn i bygningen.
Jødene feirer onsdag Jom Kippur, sin årlige forsoningsdag.
Politiet har etter angrepet i Halle skjerpet sikkerhetstiltakene ved synagoger i byer som Leipzig, Dresden, Berlin og Frankfurt, skriver NTB.
Aksjonerte mot høyreekstremister
Ifølge Bild aksjonerte politiet onsdag mot høyreekstremister i flere tyske delstater, blant annet mot en adresse i Mansfeld-Südharz vest for Halle. Det foreligger imidlertid ikke opplysninger om en eventuell sammenheng.
– Vi har hittil ingen beviser for at skytingen i Halle er relatert til dette, sier en talsmann for tysk politi til Bild.
Halle ligger rundt 40 kilometer nordvest for Leipzig og er med sine rundt 240.000 innbyggere den største byen i delstaten Sachsen-Anhalt.