Han kallade fredagens vapenattack i Aden en "handling av meningslöst och djävulskt våld".
Enligt rapporter låtsades angriparna besöka sina mödrar för att få tillgång till hemmet.
Ingen grupp har tagit på sig ansvaret för attacken, även om jemenitiska tjänstemän har skyllt på den så kallade islamiska staten.
I ett uttalande sade Vatikanen att två av de döda nunnorna var rwandiska, en var indisk och en var från Kenya.
De arbetade som sjuksköterskor i hemmet och hade serverat frukost till sina 80 invånare när attacken inträffade.
Alla offren sköts i huvudet och hade blivit handfängslade, rapporterade Associated Press, med hänvisning till brodern till ett offer.
Nunnorna kom från församlingen Välgörenhetsmissionärer, som driver hemmet och grundades i Calcutta av Moder Teresa.
Påven Francis "be att denna meningslösa slakt kommer att väcka samveten, leda till en förändring av hjärtat, och inspirera alla parter att lägga ner sina vapen och ta upp vägen för dialog", Vatikanminister Pietro Parolin sade.
"Han sänder försäkran om sina böner för de döda och sin andliga närhet till deras familjer och till alla som påverkas av denna handling av meningslöst och djävulskt våld."
Missionärer av välgörenhetstaleskvinna Sunita Kumar sa att medlemmar var "absolut bedövade" av morden.
Nunnan lyckades gömma sig och undkomma oskadd.
Jemen är uppslukat av ett brutalt inbördeskrig mellan Zaidi Shia Houthi-rebeller med stöd av Iran i norr och Saudiarabien i söder.
Islamiska staten och al-Qaida på Arabiska halvön (AQAP) har båda utnyttjat kriget för att vinna mark i landet.
Över 6 000 människor har dödats och 2,4 miljoner människor har fördrivits i Jemens krig, säger FN.
Styrkor som var lojala mot regeringen och sydmilisen återfick i juli Aden kontrollen, med hjälp av saudiska koalitionsstyrkors flyganfall och trupper.
Påven Francis har fördömt mordet på 16 personer, däribland fyra katolska nunnor, på ett äldreboende i Jemen.