Han berättade för en brådskande debatt att brittiska underrättelsechefer ansåg att det var "mycket troligt" att den syriska regeringen var ansvarig för attacken den 21 augusti.
Men han sade att parlamentsledamöter måste göra en bedömning inför en allmän omröstning.
Förenade kungariket skulle kunna inleda strejker utan FN-stöd, enligt juridisk rådgivning.
Åtgärder skulle vara ett lagligt "humanitärt ingripande" - även om det lades in veto mot FN, regeringens sammanfattning av de råd som sades.
Cameron berättade för parlamentsledamöter - som har återkallats tidigt från sommaruppehållet - att han var övertygad om att det var "bortom tvivel" Syriens president Bashar al-Assads regim låg bakom attacken.
Av Nick RobinsonPolitical redaktör
Men han tillade: "I slutändan finns det ingen hundraprocentig säkerhet om vem som är ansvarig."
Kenneth Cameron betonade också att om inte åtgärder vidtas kommer Damaskus att dra slutsatsen att det kan använda sådana vapen om och om igen.
Den brittiske oppositionsledaren Ed Miliband sade att Labour inte uteslöt militär intervention utan insisterade på att det måste finnas en tydlig färdplan för ett beslut.
Under tiden sammanträdde de fem permanenta medlemmarna i FN:s säkerhetsråd för att diskutera krisen. Två av dem, Ryssland och Kina, har blockerat tidigare resolutioner i frågan och analytiker förutspår att de kommer att göra det igen.
Ryssland - Syriens främsta internationella allierade - kallade mötet, som nu har avslutats utan några framsteg mot samförstånd, förstår BBC.
Den syriska regeringen har förnekat att den ligger bakom den misstänkta kemiska attacken i närheten av Damaskus förra veckan, där hundratals människor uppges ha dött och skyller på oppositionsstyrkorna.
USA:s president Barack Obama har sagt att han ännu inte har beslutat om en handlingsplan mot Syrien, men Vita huset har sagt att alla svar kommer att baseras på amerikanska nationella säkerhetsintressen.
Vita huset ska hålla en hemlig genomgång av varför Syrien har använt kemiska vapen.
Andra nationer överväger också nästa steg.
FN:s generalsekreterare Ban Ki-moon har krävt tålamod och insisterar på att han kommer att få en rapport på lördag från vapeninspektörer som utreder attacken.
Från Gordon CoreraSecurity korrespondent, BBC News
Iraks skugga hänger fortfarande över användningen av underrättelser för att rättfärdiga militära aktioner. Mer än tio år senare presenteras ett helt annat dokument.
Den här gången får vi slutsatserna och den övergripande bedömningen, men inte bevisen som ligger bakom dem.
Så även om regeringen kommer att hoppas på den övergripande slutsatsen att det är "mycket troligt" att regimen var ansvarig, kommer det fortfarande att finnas ammunition för skeptiker. De kommer att säga att de behöver se bevisen och inte bara bedömningar och bedömningar.
Det språk som används är sannolikhet snarare än säkerhet - det är delvis verkligheten i intelligensbedömningen, men det finns inte heller någon enda, avgörande intelligens som undanröjer alla tvivel.
Det väcker också andra frågor som inte besvaras. Vad var det som utlöste en så stor användning av kemiska vapen när inspektörerna befann sig i landet? Var det resultatet av en order från toppen eller kunde det ha varit en lokal befälhavares beslut?
Intelligensen kommer sannolikt att informera debatten, men det är inte klart om den kommer att ändra sig.
Västliga militära alternativ
Modeller för möjliga åtgärder
Där de viktigaste länderna står
Downing Street har sagt att parlamentet kan återkallas igen under helgen om inspektörernas bedömning offentliggörs.
En talesman tillade att regeringen ansåg att det fanns ett argument för "kirurgiska strejker" men att den allmänna debatten inte handlade om att "gå i krig".
Syriens president Bashar al-Assad har sagt att hans land kommer att försvara sig mot alla angrepp.
Förenade kungariket vill ha en resolution från FN:s säkerhetsråd om att vidta "alla nödvändiga åtgärder" för att hjälpa civila och lade fram ett utkast till resolution för ledamöterna på onsdag.
Downing Street har sedan dess släppt ett uttalande, baserat på formell juridisk rådgivning från justitieministern Dominic Grieve, att stater begränsade militära strejker för att avskräcka framtida attacker kemiska vapen skulle vara i linje med internationell rätt.
I en bedömning som offentliggjordes av den gemensamma underrättelsekommittén hävdades det också att det "inte var möjligt för oppositionen att genomföra en kemisk vapenattack i denna skala".
I sin rapport sade ordförande Jon Day att det var "mycket troligt" att Assadregimen var ansvarig.
Att öppna torsdagens Commons debatt, Mr Cameron sade: "Det handlar inte om att ta parti i konflikten, det handlar inte om invaderande, det handlar inte om regimförändringar eller faktiskt arbeta närmare med oppositionen.
"Det handlar om storskalig användning av kemiska vapen och vårt svar på ett krigsbrott - inget annat."
Men han varnade parlamentsledamöter det var upp till dem att göra en bedömning, säger: "Låt oss inte låtsas att det finns en rökande bit av intelligens som kan lösa hela problemet."
Han sade också att han var "djupt medveten" om tidigare konflikter - i synnerhet "vad som gick fel med Irakkonflikten".
"Men detta är inte som Irak", insisterade han. "Det vi ser i Syrien är helt annorlunda."
Från Clive Colemanlegal korrespondent, BBC News
Analys: Kan Storbritannien lagligt attackera Syrien?
Det brittiska parlamentet kommer att rösta om det vill stödja principen om militärt ingripande. Men Miliband har sagt att parlamentsledamöter inte bör behöva besluta om vad han kallade en "artificiell tidsplan".
Under debatten om Commons insisterade han på att alla militära åtgärder skulle bygga på principen att "bevisning bör föregå beslut, inte beslut före bevis".
"Jag utesluter inte att stödja premiärministern", sade Miliband. "Men jag tror att han måste göra ett bättre fall än han gjorde idag i denna fråga."
Andra utvecklingstendenser:
Talmannen i det syriska parlamentet har skrivit till sin motpart i London och uppmanat en brittisk parlamentarisk delegation att besöka Damaskus så snart som möjligt.
Den franske presidenten Francois Hollande har ännu inte beslutat om ett militärt ingripande. Men på torsdag, efter att ha träffat Ahmed Jarba, ledaren för oppositionen Syrian National Coalition, sade Hollande att en politisk lösning bara skulle vara möjlig om "det internationella samfundet kan sätta ett tillfälligt stopp för denna upptrappning av våldet".
På andra håll har en kinesisk statstidning varnat västerländska regeringar för att det inte finns några ursäkter för flyganfall mot Syrien innan FN har slutfört sin undersökning.
Och Ryssland, president Assads främsta internationella allierade, säger också att det motsätter sig varje utländsk militär intervention i Syrien.
Men i händelse av någon militär aktion, BBC försvarskorrespondent Caroline Wyatt sade kryssningsrobotar kunde avfyras från amerikanska fartyg i Gulfen eller Medelhavet, eller Royal Navy fartyg inklusive ubåt HMS Tireless.
Premiärminister David Cameron har lagt fram sitt argument för militära åtgärder mot Syrien för brittiska parlamentsledamöter, men har medgett att regimen använde kemiska vapen inte är "100 % säker".