Syftet var att storma ett militärt säkerhetsfängelse med hundratals IS-fångar, enligt SOHR. Men det misslyckades.
Siamand Ali, talesperson för den kurdiskledda styrkan SDF, säger till AP att en grupp på fem extremister, två med bombbälten, tros ha varit inblandade i attacken. Säkerhetsstyrkor söker igenom staden i jakt på överlevande terrorister.
IS har tagit på sig attacken och meddelar i ett uttalande att den är en hämnd för alla "muslimska fångar" i det stora fånglägret al-Hol.
Enligt SOHR har misstänkta IS-celler utfört totalt 16 olika attacker under december i områden som kontrolleras av SDF.