Tiotals människor, en del av dem barn, rapporteras ha dödats i attacken. Enligt en parlamentariker från delstaten Ondo, där angreppet ägde rum, har minst 50 personer dödats. Andra källor säger att dödssiffran är högre.
– Det är fortfarande för tidigt att säga hur många som har dödats. Men många troende förlorade sina liv och andra skadades, säger en talesperson för polisen till nyhetsbyrån AFP.
Prästen och några andra närvarande i kyrkan uppges ha kidnappats.
Motivet är okänt och ingen grupp har sagt sig ligga bakom attacken. President Muhammadu Buhari kallar angreppet för ett "avskyvärt dödande av troende".
Enligt ett uttalande från Vatikanen har påve Franciskus informerats om händelsen och "även om alla detaljer ännu inte är kända ber påve Franciskus för offren och för landet".
Ondo har beskrivits som en av de fredligaste delstaterna i landet. Delar av Nigeria, bland annat landets norra och centrala delar, har länge dragits med säkerhetsproblem bland annat på grund av islamistiska terrorgrupper.