Dådet utfördes i en restaurang i omstridda Manbij och var enligt ett vittne riktat mot de USA-ledda styrkor som ännu finns där.
Enligt den amerikanska militären dödades två av landets soldater samt ytterligare två i civil befattning. Ytterligare tre amerikanska medborgare skadades. Enligt ett första uttalande från USA:s militära uppdrag i Syrien skedde det hela "medan de patrullerade rutinmässigt".
Nyhetsbyrån Reuters rapporterar 19 dödade. Oppositionella Syriska människorättsobservatoriet (SOHR), som är baserat i Storbritannien, räknade tidigare antalet döda till minst 16. Bland dem finns ett stort antal civila.
Omstridd stad
Terrorrörelsen IS har tagit på sig dådet. Det är det första av sitt slag i Manbij på tio månader, enligt SOHR.
Staden ligger tre mil från gränsen till Turkiet och står i centrum för en begynnande maktkamp mellan kurdiska styrkor, den turkiska armén och syriska regeringsstyrkor.
Kurdiska styrkor drev bort IS och tog kontroll över Manbij 2016. Men nyligen lät man den syriska armén gå in i området av strategiska skäl, efter att USA gav besked om ett tillbakadragande från Syrien. Turkiet har aviserat en offensiv när USA har lämnat och turkiska styrkor har de senaste veckorna samlats i gränstrakten.
Turkiets president Recep Tayyip Erdogan hävdade under onsdagen att totalt 20 personer dödats och att fem av dem var amerikaner, vilket inte bekräftats från annat håll. Han sade samtidigt att han inte trodde att dådet skulle påverka det amerikanska beslutet angående Syrien.
Pence: IS besegrat
Några timmar efter den dödliga attacken meddelar USA:s vice president Mike Pence att IS har besegrats i Syrien. Han säger också att han och president Donald Trump fördömer dådet. Händelsen påverkar dock inte den amerikanska planen för att lämna Syrien, slår Pence fast.
"Tack vare modet hos våra väpnade styrkor har vi krossat IS-kalifatet och förgjort dess förmågor. Medan vi börjar ta hem våra soldater... kommer vi aldrig att tillåta att resterna av IS återupprättar sitt onda och mordiska kalifat", säger han i ett uttalande.