En självmordsbombare sprängde en bil i staden Dammam i östra provinsen.
Islamic State (IS) gruppen har sagt att det var bakom attacken i ett uttalande som släpptes på sociala medier.
Minst 21 personer dödades i en liknande händelse för en vecka sedan, när en självmordsbombare slog till under fredagsböner vid en Shia moské.
Attacken mot moskén Imam Ali i byn al-Qadeeh var den första som hävdades av den saudiska grenen av IS, som formellt inrättades i november förra året.
I Dammam på fredag sprängde en självmordsbombare hans sprängladdning utanför al-Anoud moskén i ett livligt område.
De två självmordsbomberna på sju dagar mot Shia moskéer är avsedda att inflammera sekteristiska spänningar, samma taktik som IS använder i Irak och på andra håll.
Med en saudiarabisk flygkampanj mot Shia-rebeller i Jemen och en upptrappning av konfrontationen mellan saudierna och Iran över hela regionen, tar jihadisterna tillfället i akt att så mer hat.
Hardline saudiska predikanter har länge fördömt shia, och den retoriken har bara blivit hårdare. Shia har uppmanat myndigheterna att hejda flödet av hatpropaganda.
Kung Salman har lovat att krossa militanterna och många saudier har uttryckt sin solidaritet med shia.
IS har fortfarande en mycket lång väg att gå i sitt syfte att destabilisera Saudiarabien genom dess sekteristiska splittring, men det använder sig av den enda metod som man känner till - sekteristiskt våld.
Ett vittne berättade för Reuters nyhetsbyrå att han hade sett en "snabb explosion" och att han hade fått veta att män hade hindrat angriparen från att komma in i moskén.
Säkerhetsstyrkorna hade blivit misstänksamma mot en man i en bil nära moskén och hade gått för att undersöka den. Det exploderade när de närmade sig fordonet, enligt Saudi Press Agency, SPA.
En av dem som dödades tros ha varit föraren av bilen.
I ett uttalande som publicerades på nätet, IS sa "en soldat av Kalifatet" var bakom attacken på Shia samhället. Bombaren identifierades som Abu Jandal al-Jazrawi.
Saudiarabien har tidigare hotats av IS. Det ingår i en USA-ledd koalition mot IS i Syrien och Irak.
Saudierna leder också en koalition av arabiska stater i en flygkampanj mot Shia-rebeller i Jemen.
Landets stora shiamuslimska minoritet är huvudsakligen baserad i den östra provinsen, och det har förekommit sporadiska protester av Shia där för att kräva fler rättigheter.
En bomb har exploderat utanför en Shia moské i Saudiarabien, enligt uppgift dödat minst fyra personer.