Syriens 1-0 seger på torsdag chockade fans i den kinesiska staden Xi'an som tog på gatorna.
Kina har sagt att det vill bli en "världssuverän för fotboll".
Men förlusten innebär att laget nu kan missa en plats i 2018 års VM i Ryssland.
Kina rankas på 78:e plats i världen medan Syrien är 114:e, strax före Nordkorea. Det kinesiska laget möter Uzbekistan den 11 oktober som kommer att avgöra om de kvalificerar sig.
Tencent sport webbplats sade stora grupp fans samlades på gatorna utanför Zhuque stadion, kräver avgång Cai Zhenhua, ordförande i den kinesiska fotbollsföreningen efter matchen.
"Avgå, avgå, avgå!", de hörs skrika i en video som publiceras på Twitter.
Online, fans var lika kritiska mot det kinesiska lagets prestation.
"Det syriska fotbollslaget har visat att vi inte är starka och segerrika", sade en användare på micro-bloggning webbplats Weibo.
"Jag kommer att dölja mitt ansikte nu", sa en annan.
"Mitt blodtryck steg bokstavligen när jag tittade på spelet," sade en användare.
"Syrien, ett krigshärjat land som inte ens har råd att köpa sina egna skor eller skjortor, vars chef tjänar en månadslön på 2000 yuan, besegrade Kina vars spelare tjänar miljoner," sade en person.
Syrien, som spelar sina hemmamatcher i Oman på grund av kriget, har sett nästan fem års väpnad konflikt.
Tidigare i år lade Kina fram en ambitiös plan för att bli en "världssuverän för fotboll" 2050.
Landets president Xi Jinping, en fotbollsentusiast, sade tidigare att han ville att Kina skulle vinna VM i 15 år.
Landet vill också ha 50 miljoner barn och vuxna som spelar spelet till 2020.
– Presidenten i landet driver på för fotboll, berättade Sven-Goran Eriksson, som tränar kinesiska superförbundet, för BBC tidigare i år.
"Han vill att Kina som landslag ska vara stort, att det ska bli bättre i fotboll."
Arg kinesiska fans har krävt avgång av presidenten för Kinas fotbollsförening, efter att landet förlorat till Syrien i en VM-kvalificering.