Åtta journalister och två poliser var bland de döda. Polisen gav ut foton på två misstänkta, och beskrev dem som "beväpnade och farliga".
En tredje misstänkt uppges ha överlämnat sig till polisen.
Protester och vakar över attacken, det dödligaste landet har sett på årtionden, har hållits i hela Frankrike.
President Francois Hollande kallade det ett "lyckligt mord" och förklarade en dag av nationell sorg på torsdag.
Han sade att landets tradition av yttrandefrihet hade attackerats och uppmanade alla fransmän att hålla ihop. "Vårt bästa vapen är vår enighet", sade Hollande i ett tv-tal sent på onsdag.
Säkerheten har höjts över hela Frankrike efter attacken, med Paris på högsta beredskap.
Polisen sa att häktningsorder hade utfärdats för Cherif Kouachi, 32, och hans bror Said, 34, som de sa var tros vara "beväpnad och farlig".
En annan misstänkt, Hamyd Mourad, 18 år, nämndes tidigare i ett polisdokument, enligt mediarapporter.
Icke namngivna tjänstemän sade emellertid att Mourad överlämnade sig till polisen efter att ha sett sitt namn cirkulera på sociala medier. Han greps och greps, anmäldes AFP.
Mediarapporter beskrev Cherif Kouachi som en militant som dömdes 2008 till tre års fängelse för att ha tillhört en grupp som skickade jihadistiska soldater till Irak.
BBC Pariskorrespondent Lucy Williamson säger att det finns separata rapporter om polisoperationer som äger rum utanför huvudstaden och i den östra staden Reims, 140 kilometer från Paris.
Polisen gav inga detaljer, men rättsmedicinska team sågs senare söka igenom en lägenhet i Reims.
Den satiriska veckoveckan har uppvaktat kontroverser i det förflutna med sin vanvördiga ta på nyheter och aktuella angelägenheter. Det var firebombed i November 2011 en dag efter det bar en karikatyr av profeten Muhammed.
Angreppet ägde rum när tidskriften höll sitt redaktionella möte varje vecka. Franska medier har namngett tre serietecknare som dödades i attacken som Cabu, Tigneus och Wolinski, samt Charlie Hebdo bidragsgivare och franske ekonomen Bernard Maris.
Charlie Hebdo redaktör Stephane Charbonnier, 47, hade fått dödshot i det förflutna och levde under polisskydd.
Cartoonisten Corinne Rey, sa att de huvade revolvermännen gick in i byggnaden efter att ha tvingat henne att skriva in koden för att öppna dörren.
"De sade att de tillhörde al-Qaida", sade hon, tillade att de hade talat flytande franska.
Ögonvittnen sa att de hörde så många som 50 skott avfyrade av angriparna både inne i Charlie Hebdo kontoret och på gatorna utanför.
Vapnen fångades på amatörvideon när en skadad polis vid punkt blank avstånd i huvudet på trottoaren utanför.
De hördes ropa "vi har hämnats profeten Muhammed" och "Gud är stor" på arabiska ("Allahu Akbar").
Polisen sa att de maskerade beväpnade männen flydde till norra Paris, innan de övergav sin bil och kapade en till.
Parisåklagaren, Francois Molins, sade att 11 personer hade skadats i attacken, fyra av dem allvarligt.
Han berättade för reportrar att alla ansträngningar gjordes för att hitta de ansvariga, utan att ge några detaljer om utredningen.
"Undersökningarna har varit många och djupgående, eftersom polisen naturligtvis har mobiliserats, och dessa undersökningar pågår."
Dödandet har fördömts av ledare över hela världen, och USA:s president Barack Obama erbjuder sig att hjälpa Frankrike att spåra upp de ansvariga.
Al-Azhar University i Kairo, Sunni Islams ledande centrum för lärande, kallade attacken "kriminal" och sade "Islam fördömer allt våld".
Arabförbundet fördömde också attacken. Påven Francis kallade det "avskyvärt".
Tusentals människor har samlats på Place de la Republique i centrala Paris för en vaka, många håller upp plakat som säger "Je suis Charlie" (Jag är Charlie), hänvisar till en hashtag som utvecklas på Twitter i solidaritet med offren.
Pennor, som symboliserar yttrandefriheten, och ljus har lagts tvärs över torget.
Tiotusentals människor har också anslutit sig till möten i andra städer i hela Frankrike.
Charlie Hebdo hemsida, som gick offline under attacken, visar den enda bilden av "Je suis Charlie" på en svart banner. Andra stora tidningar visar liknande banderoller.
Den senaste tweeten på Charlie Hebdos konto var en teckning av Islamiska statens militanta gruppledare, Abu Bakr al-Baghdadi.
Charlie Hebdo är en del av en vördnadsbjudande tradition inom fransk journalistik som går tillbaka till skandalbladen som fördömde Marie-Antoinette under upptakten till den franska revolutionen.
Traditionen kombinerar vänsterradikalism med en provokativ skörhet som ofta gränsar till det obscena. Dess beslut att håna profeten Muhammed i 2011 var helt förenligt med dess historiska existensberättigande.
Papperet har aldrig sålt i enorma mängder - och under 10 år från 1981 upphörde det att publiceras på grund av brist på resurser.
Men med sina Garish främre sidor karikatyrer och glödande rubriker, är det en otillåten stapel av tidningskiosker och järnvägsstation bokhandlare.
Charlie Hebdo och dess satiriska roll
Liveuppdateringar
Europas kamp mot islamismen
Landet var redan på alerten för islamistiska militanta attacker efter flera incidenter strax före jul, även om den franska regeringen har förnekat attackerna var kopplade.
Det är den dödligaste attacken i Frankrike sedan 1961, när en bomb planterad av högerextrema militanter som motsatte sig planer för algerisk självständighet dödade 28 personer på ett tåg.
Danska tidningen Jyllands-Posten, som publicerade tecknade serier av profeten Muhammed i 2005 gnistrande upplopp i muslimska länder, säger att det har ökat säkerheten i kölvattnet av Charlie Hebdo attack.
En stor jakt på beväpnade män som sköt ihjäl 12 personer på Pariskontoret i den franska satiriska tidningen Charlie Hebdo.