Enligt den egyptiska säkerhetspolisen ska en fjärrutlöst bomb ha placerats inne i katedralen, men enligt en källa inom den koptiska kyrkan kastades bomben in i kyrkan av en okänd gärningsman.
Attentatet skedde på en nationell heldag i Egypten, och fler kyrkbesökare var närvarande vid gudstjänsten än vanligt.
Ingen har ännu tagit på sig ansvaret för dådet.
Reaktioner på dådet
Den egyptiska presidenten, General Abdel Fattah al Sisi, har förklarat en tredagars nationell sorgeperiod.
Enligt lokala mediekällor samlas människor utanför kyrkan där attentatet skedde, och ropar åt inrikesministern, Magdy Abdel Ghaffar, att avgå. Bilder på sociala medier visar hundratals demonstranter drabba samman med polis.
Chefsåklagaren Nabil Sadek besökte attentatsplatsen tillsammans med andra statstjänstemän och meddelade att en utredning är på gång.
I enlighet med praxis har Al Azhar-institutionen (världens äldsta sunnimuslimska universitet) fördömt ”terrordådet som skedde i morse i Markuskatredalen i Abbasiya, som skördade liv och skadade många”.
Värsta dådet på länge
Jihadistgrupper har utfört flera tidigare attacker mot kristna i Egypten, främst på Sinaihalvön.
För sex år sedan detonerades en sprängladdning i en kyrka i kuststaden Alexandria, då 23 människor dog. Utredningen i det attentatet har ännu inte pekat ut någon gärningsman.
Kopter utsatt grupp
Markuskatedralen är sätet för landets ortodoxa kristna kyrka och dess ledare påve Tawadros II.
Kopterna utgör omkring tio procent av Egyptens befolkning. Gruppen har ofta förföljts och diskriminerats, inte minst under den tidigare diktatorn Hosni Mubaraks styre.