Dylann Roof dömdes förra månaden för 33 federala anklagelser, däribland hatbrott, efter att ha öppnat eld mot en bibelstudiegrupp 2015.
Han förblev obotfärdig och hade sagt till juryn: "Jag kände att jag var tvungen att göra det och jag känner fortfarande att jag var tvungen att göra det."
Juryn överlade i nästan tre timmar innan domslut.
Massakern chockade nationen och återupplivade en debatt om rasrelationer och den konfedererade flaggans flykt.
Taket sa till polisen att han ville starta ett raskrig och han fotograferades hålla stridsflaggan, vilket för många är en symbol för hat.
Tragedin ledde till att flaggan avlägsnades från South Carolinas statshus, där den flugit i 50 år.
Tidigare på tisdagen talade Roof till juryn och sade: "Jag vet inte vad det skulle göra för nytta" om de skonade hans liv.
Domaren avkunnar en formell dom på onsdag morgon.
Efter det att domen meddelats, stod den 22-årige mördaren kvar och begärde att bli utnämnda till nya advokater och att ansöka om en ny rättegång.
US District Judge Richard Gergel svarade att han var "starkt missnöjd" och instruerade Taket att tänka på det över en natt.
Nästan två dussin vänner och släktingar till dem som skjutits ner vid Emmanuel AME Church i Charleston vittnade under domen om hur Roofs brott har påverkat deras liv.
Men ingen av dem hade vädjat till juryn att återgälda en dödsdom.
En vit supremacist har dömts till döden för de rasmotiverade morden på nio svarta i en kyrka i South Carolina.