Förskolan ligger i staden Blumenau, ungefär 40 mil söder om landets största stad São Paulo – där en elev högg ihjäl en lärare och skadade flera andra i förra veckan.
Regionens guvernör säger i ett uttalande att mannen gick till attack mot både barn och personal, men att de fyra som dödats är barn. Guvernören har utlyst tre dagars sorg.
Mannen, som är i 25-årsåldern, hoppade över en mur för att ta sig in till en lekplats på förskolans gård.
Efter attacken tog han sig på motorcykel till polisstationen för att anmäla sig själv.
Han har gripits minst fyra gånger tidigare, bland annat för att ha knivhuggit sin styvfar.
Dödsoffren är tre pojkar och en flicka, mellan fem och sju år gamla.
Läget är stabilt för två pojkar och två flickor som vårdas på sjukhus, uppger sjukhuset för nyhetsbyrån AFP. Den yngsta är en treårig pojke.
Skolattacker har varit sällsynta i Brasilien men har blivit vanligare de senaste åren, skriver nyhetsbyrån AP.