Lågorna blockerade kyrkans entré och många av de döda, varav flera barn, trampades ihjäl när panik utbröt.
Vittnen berättar om hur församlingsmedlemmar hoppade ner från läktare inne i kyrkan för att undkomma lågorna och den mest intensiva svarta röken, som fyllde salen.
Många rykten om branden cirkulerade under söndagen och siffrorna på antalet offer har varierat, koptiska kyrkan uppger siffrorna 41 döda och 14 skadade, andra källor uppger fler skadade för Reuters och Al Jazeera. Reuters uppger även att många flera än tio barn dött i branden.
Bland de skadade finns också fyra poliser, som hjälpte till vid räddningsarbetet.
Kritik mot räddningstjänst
Enligt vittnen AFP har pratat med rusade flera människor in i den brinnande kyrkan för att rädda dem som fastnat inne i den.
15 brandbilar skickades till brandplatsen och elden kunde efter någon timme släckas. Men anhöriga till offren kritiserar räddningstjänsten och säger att fler liv hade kunnat räddas.
– Folk bar ut barn ur byggnaden. Men elden växte sig större och det gick inte att gå in igen om man väl kommit ut, säger Ahmed Reda Baioumy, som bevittnade förloppet från sin bostad bredvid kyrkan.
Daghem i kyrkan
Tidiga uppgifter anger att branden beror på ett elfel. Brandolyckor är inte ovanliga i Kairo, där miljontals egyptier bor under enkla förhållanden.
Kyrkobyggnaden, som även hyste två daghem för barn, ligger i den tätbefolkade stadsdelen Imbaba i Giza i utkanten av Kairo, och uppskattningsvis 5 000 människor ska ha sökt sig dit för att delta i en mässa.
President Abd al-Fattah al-Sisi har pratat i telefon med den koptiskt kristna påven Tawadros II för att framföra sina kondoleanser, uppger presidentens kansli.
Kopterna utgör cirka tio procent av Egyptens främst muslimska befolkning.