Polis och brandförsvar kallades till platsen strax före klockan sju på morgonen under onsdagen och såg då hur lågorna rasade på andra våningen i ett tre våningar högt bostadshus.
Huset, som ligger i stadsdelen Fairmont, var uppdelat i två separata lägenheter med totalt 26 boende. Det är inte känt om någon tagit sig ur huset.
Två personer uppges vårdas på sjukhus.
Enligt myndigheterna är det den dödligaste enskilda branden på ett sekel i staden.
Det tog 50 minuter innan branden var under kontroll, enligt räddningstjänsten.
– Det här är utan tvekan en av de mest tragiska dagarna i vår stads historia, säger Philadelphias borgmästare Jim Kenney utanför olycksplatsen.
– Det är fruktansvärt att förlora så många barn. Be för dem.
På en presskonferens meddelade myndigheterna att det hade funnits fyra brandvarnare i byggnaden men att ingen av dem fungerade.
Grannar uttryckte sin förtvivlan.
– Jag förstår inte hur fler inte lyckades fly. De kunde ha hoppat ut genom fönstret, säger den 34-årige grannen Dannie McGuire.
Rättad: I en tidigare version av texten förekom felaktiga uppgifter om platsen för branden.