pilgrimerna hade rest genom Mastung i Balochistanprovinsen på väg till den iranska gränsen när attacken inträffade.
Flera andra människor skadades, några kritiskt, Pakistanska medier rapporterade.
Ingen grupp har erkänt attacken men polisen säger att motivet var sekteristiskt.
Sunni och Shia-extremister har ofta slagit samman och attackerat varandra under de senaste 20 åren.
Busschauffören Chushal Khan sa att hans fordon stoppades av åtta till tio män som körde i två jeepar som kom från motsatt riktning.
Mr Khan sa att männen beordrade alla att lämna bussen och tvingade dem att ställa sig i kö innan de besprutade dem med AK-47 gevärssprängningar. Kvinnor och barn var bland de 45 passagerarna.
Han sa att några lyckades fly, men andra blev skjutna. Sex skadade passagerare fördes bort för behandling.
Polisen sa att bussen hade kommit från provinshuvudstaden Quetta och var på väg mot gränsstaden Taftan.
Det var den dödligaste attacken mot Shias i Pakistan sedan en självmordsbombare dödade minst 57 personer på ett Shia rally i Quetta i september 2010.
Shia Muslims är en minoritet i Pakistan.
Minst 13 personer dödades när en självmordsbombare slog till i parkeringen i en Shia moské i Quetta - huvudstad i Balochistanprovinsen - under Eid-festivalen i slutet av förra månaden.
BBC:s M Ilyas Khan i Islamabad säger att ansvaret för de flesta attackerna har hävdats av sekteristerna i Lashkar-e-Jhangvi (LJ), en övervägande punjabigrupp med kopplingar till al-Qaida och talibanerna.
Polisen i Balochistan har under årens lopp arresterat ett antal LJ-aktivister i samband med dessa attacker. Några av dem har dömts till döden eller fängslats av domstolarna.
Vår korrespondent säger att både polisen och Shia-samhället tror att hjärnan bakom de flesta av de senaste attackerna var en LJ-befälhavare, Osman Saifullah, som arresterades 2006 men rymde från ett högsta säkerhetsfängelse mot terrorism i Kantonmentsområdet i Quetta 2008.
Bussar lämnar Quetta varje dag för att transportera pilgrimer till shia heliga platser i västra Iran och delar av södra Irak.
De har varit ett mål för många attacker av sekteristiska militanter under de senaste åren.
Minst 26 Shia Muselman pilgrims har dödats av en grupp av gunmen som öppnade eld på en buss i västra Pakistan, tjänstemän sade.