En ensam förare i en av bilarna, en man i 40-årsåldern, omkom, uppger polisen.
Olyckan inträffade i höjd med Motorps rastplats, någon mil söder om Mariestad. Enligt polisens uppgifter rör det sig om en omkörningsolycka.
– Det är mötande trafik utan mitträcke på den här sträckan. En av bilarna gör en omkörning, får sladd och kommer över på fel sida, säger Göran Carlbom, vakthavande befäl vid polisen, till TT.
Den omkörande bilen frontalkrockade sedan med en mötande bil med sju personer, två vuxna och fem barn. De två vuxna skadades allvarligt och ett av barnen skadades lindrigt, de övriga i fordonet ska vara fysiskt oskadda.
Polis, räddnings- och bärgningspersonal arbetade i flera timmar vid olycksplatsen och E20 var avstängd fram till 22.30-tiden när trafiken åter kunde släppas på.
En anmälan om vårdslöshet i trafik kommer att upprättas.