Barn har tagits som gisslan, tvingats se tortyr och till och med delta i halshuggningar, sägs det; andra har dödats under striderna.
Man misstänker att det finns "rimliga skäl" att tro att kemiska vapen har satts in.
Unionen uppmanar de utländska makterna att inte öka tillgången på vapen i Syrien.
Vapenfrågan har stått högt på den internationella dagordningen på senare tid, och EU har hävt ett embargo mot vapenförsäljning till Syrien medan Ryssland har insisterat på att det ska gå vidare med försäljningen av ett avancerat militärt missilförsvarssystem S-300 till Syrien.
På tisdagen sade Rysslands president Vladimir Putin att kontraktet ännu inte hade uppfyllts och Ryssland ville inte " störa balansen i regionen".
Han sade att han var "nedslagen" av EU:s drag.
Samtidigt dog en civilperson när granater exploderade nära den ryska ambassaden i Damaskus, enligt den brittiska aktivistgruppen, det syriska observatoriet för mänskliga rättigheter.
Ryssland är allierad med president Bashar al-Assad och syriska rebeller har riktat in sig på ambassaden flera gånger sedan upproret mot hans regim inleddes för två år sedan.
De internationella makterna kämpar för att fastställa ett datum för en fredskonferens om Syrien, där konflikten tros ha kostat minst 80 000 liv.
FN:s undersökningskommission har hittills varit utestängd från Syrien och var tvungen att förlita sig på förstahandskonton från landet.
I rapporten står det "dokument för första gången det systematiska införandet av belägringar, användningen av kemiska agenser och tvångsförflyttningar" i Syrien.
"Krigsbrott och brott mot mänskligheten har blivit en daglig verklighet", säger den.
Påståenden om kemiska vapen i Syrien
I betänkandet anklagas båda sidor för missbruk, men säger rebellaktioner inte "uppnå intensiteten och omfattningen" av övergrepp som begåtts av regeringsallierade styrkor.
Syriens FN-ambassadör Faysal Khabbaz Hamoui har förkastat rapporten och säger att kommissionen "överdriver sina slutsatser och resultat" samtidigt som den "helt försummar de väsentliga händelserna, eller till och med marginaliserar dem".
"Kommittén insisterade trots våra varningar på att använda sekteristiskt språk som förkastas av alla grupper i det syriska samhället."
Under de fyra månader som omfattas av denna rapport - mellan den 15 januari och den 15 maj 2013 - dokumenterade utredare 17 misstänkta massakrer, av totalt 30 sedan konflikten började.
Sieges - med civila fångar i sina hem och beroende av deras fångar för mat, vatten, mediciner och makt - används nu systematiskt som krigsvapen av regeringsstyrkor och anslutna miliser och i vissa fall av regeringsfientliga styrkor, sägs det i rapporten.
Civila blir nu offer för tvångsförflyttningar från båda sidor, där de hotas av angrepp om de inte lämnar området.
I betänkandet dokumenteras nya kränkningar av barns rättigheter förutom att de rutinmässigt dödas, hålls i förvar och fördrivs.
I ett angrepp från regeringsstyrkorna mot Sanamain, Dara den 10 april, "tvingades barn att se tortyren eller dödandet av föräldrar".
I en annan händelse i april, den här gången i Rastan i Homs, "hotade kontrollpersonalen att skjuta två flickor i åldern nio och sju år som började gråta under sin fars förhör".
Antiregeringsstyrkorna gjorde sig också skyldiga till kidnappningar och andra kränkningar av barns rättigheter, sägs det i rapporten.
I den mest vedervärdiga händelsen i närheten av Deir al-Zor nämns ett barns deltagande i två soldaters halshuggning.
"Videobilder visade ett barn som deltog i halshuggningen av två kidnappade män", säger rapporten. "Efter utredningen tror man att videon är äkta och att männen var soldater, dödade som avbildade."
Det står att 86 barnsoldater som slåss för rebellstyrkornas räkning nu har dödats i den tvååriga konflikten - nästan hälften av dem enbart under 2013.
I betänkandet sägs att sexuellt våld, inklusive våldtäkt, har använts mot kvinnor, främst av regeringsstyrkor.
Det finns "rimliga skäl" att tro att kemiska vapen användes i attacker av regeringsstyrkor i Syrien under de senaste månaderna, säger FN.
I rapporten sades att det fanns "rimliga skäl att tro att begränsade mängder giftiga kemikalier användes" vid attacker mot Khan al-Assal, Aleppo, 19 mars; al-Otaybeh, Damaskus, 19 mars; Sheikh Maqsoud, Aleppo, 13 april; och Saraqeb, provinsen Idlib, 29 april.
Men den tillägger att det "inte har varit möjligt, på tillgängliga bevis, att fastställa exakt vilka kemiska agens som använts, deras leveranssystem eller förövaren".
Och den kunde inte utesluta att de användes av oppositionsstyrkor. Det uppmanar Damaskus att låta en grupp experter på kemiska vapen från FN komma in i landet - en begäran som Damaskus hittills har avslagit.
Men kommissionens ledamot och tidigare krigsförbrytelser åklagare Carla del Ponte varnade reportrar att inte överbetona frågan om kemiska vapen, AFP nyhetsbyrån rapporterar.
"Vi har så många dödsfall i Syrien nu... så snälla gör inte användningen av kemiska vapen i Syrien nu den viktigaste frågan," sade hon.
I rapporten dras slutsatsen att de allvarliga brott som begås av båda sidor kräver rättsliga förfaranden "på nationell och internationell nivå".
Det står att det inte kan finnas någon militär lösning och uppmanar det polariserade internationella samfundet att sträva efter en förhandlingsfred.
"Det finns en mänsklig kostnad för den politiska återvändsgränden som har kommit att karakterisera världssamfundets reaktion på kriget i Syrien...
"Ökad överföring av vapen skadar utsikterna till en politisk lösning på konflikten... och får förödande konsekvenser för civila", säger den, i vad korrespondenterna säger är ett riktat budskap till utländska makter.
Syriens krig har nått "nya nivåer av brutalitet", säger FN, med bevis på nya misstänkta massakrer, belägringar och kränkningar av barns rättigheter.