Caixin/Markit-indexet för inköpsledare för tillverkning (PMI) sjönk till 47 i september, under prognoserna på 47,5 och minskade från 47,3 i augusti.
En avläsning under 50 indikerar en nedgång i sektorn, medan en ovan visar en expansion.
De nedslående uppgifterna kommer att väcka oro för att bromsa tillväxten i Kina.
Undersökningen kommer bara en dag efter att Asian Development Bank sänkte sin tillväxtprognos för Kina i år till 6,8 % - under regeringens mål på cirka 7 %.
Förra veckan höll den amerikanska centralbanken också inne med att höja räntorna för första gången på nästan ett decennium delvis på grund av oro över effekterna av avmattningen i Kina.
Den noga bevakade privata undersökningen är inriktad på små och medelstora företag, medan den officiella är baserad på större företag.
En snabbare minskning av fabriksproduktionen, exportordern och sysselsättningen var de viktigaste faktorerna bakom den svagare avläsningen än väntat.
Ekonomen Julian Evans-Pritchard vid Capital Economics sade att även om resultatet var "tydligt nedslående är det inte tillräckligt att få oss att ändra vår uppfattning att den nuvarande pessimismen över Kina är övergjord".
Han sade i en not på onsdagen att Kina fortfarande stod inför "strukturella hinder för tillväxt" men att "med de flesta av de viktigaste ledande indikatorerna såsom finanspolitiska utgifter och kredittillväxt nu ser stödjande ut, vi fortsätter att förvänta oss en cyklisk återhämtning i den ekonomiska verksamheten".
De kinesiska beslutsfattarna har sänkt räntorna fem gånger sedan november, bland annat för att öka utlåningen och konsumenternas utgifter.
Regeringen har också upprepade gånger sagt att tillväxten i världens näst största ekonomi är på rätt spår trots rädslan för en hårdlandning.
Kinas president Xi Jinping, som besöker USA, försökte lugna världen i ett tal på onsdag och sade att ekonomin var på en stadig kurs med ganska snabb tillväxt.
Kinas fabriksverksamhet minskade i den snabbaste takten i sex och ett halvt år i september, enligt en preliminär undersökning av den stora sektorn.