Flickan gick längs med en gata i staden tillsammans med sin vårdnadshavare när en gärningsman avfyrade skott mot en 26-årig man som lämnade en butik i närheten. Polisen arbetar utifrån teorin att flickan träffades av misstag i samband med skottlossningen.
Flickan förklarades senare död på sjukhus. Mannen skottskadades svårt och fördes till sjukhus med livshotande skador.
Den lokala polischefen David Brown skriver på Twitter att "det tragiska och meningslösa mordet" har skakat invånarna i staden.
"Det finns inga tröstande ord när ett barns liv släcks. Det finns inga ord som kan beskriva familjens sorg", skriver Brown.
Chicago befinner sig i en pågående våldsvåg med omkring 800 mord under förra året, vilket var det mest morddrabbade året i staden på 25 år.