Den första jordbävningen nära Dingxi stad hade en magnitud av 5.98 och var grunt, med ett djup av bara 9,8 km (6 miles), sade den amerikanska geologiska undersökningen.
Strax över en timme senare, en magnitud 5.6 skalvet drabbade samma område, det tillade.
År 2008 lämnade en jordbävning i Sichuanprovinsen upp till 90.000 människor döda och miljoner hemlösa.
En fabriksarbetare i Minxian county berättade för AFP att han kände "våldsskakning" och "ran till gården [fabriks] anläggning omedelbart".
"Vår fabrik är bara en våning. När jag kom till gården, såg jag en 18-våningshus, den högsta i vårt län, skaka våldsamt, särskilt den 18: e våningen, sade han.
Området har drabbats av 371 efterskalv, enligt jordbävningsadministrationen i Gansuprovinsen.
Man kände på sig tremor i provinshuvudstaden Lanzhou, och så långt bort som Xian, 400 kilometer österut.
Minst 5 600 hus i provinsens Zhangxianska län är allvarligt skadade och 380 har kollapsat, medan vissa områden drabbats av strömavbrott eller mobil kommunikation störs, tillade jordbävningsadministrationen.
"Många har skadats av kollapsade hus," en läkare baserad i Minxian county citerades av Reuters nyhetsbyrå som säger. "Många bybor har gått till lokala sjukhus längs vägarna."
Jordbävningen har orsakat en direkt ekonomisk förlust av 198 miljoner yuan ($32m; £21m), Dingxi regeringen sade på sin mikroblogg.
Både Kinas president Xi Jinping och premiärminister Li Keqiang hade kallat Gansuprovinsen för att uttrycka sin oro för offren och betona vikten av att räddningsoperationerna genomförs väl, tillade Dingxiregeringen.
Besättningar av brandmän och räddningshundar har redan anlänt till platsen, BBC: s Celia Hatton i Peking rapporter.
I bilder: kväkar efter varandra
Ju närmare ytan en jordbävning slår till, desto mer skada kan den orsaka, tillägger vår korrespondent.
Jordbävningen uppges ha utlöst en rad jordskred och jordskred, vilket har gjort det svårt för räddningsarbetare att komma åt vissa områden som drabbats av jordbävningen.
Gansu-militärpolisen har utplacerat 500 soldater, däribland 120 specialräddare, medan 500 nödtält och 2.000 täcken också transporteras till drabbade områden, tillade Xinhua.
Tjänstemän från civil-, transport- och jordbävningsavdelningar var också besöka lokala städer för att bedöma skadan, ett uttalande på Dingxi parti webbplats sade.
Regn väntas i regionen senare, vilket leder till rädsla för att detta kommer att göra räddningsinsatser svårare, eller orsaka fler jordskred.
"Morgondagen väntas duschväder, och ljusare regn dagen efter det. Regnet kan ha en negativ inverkan på räddningsinsatserna - var uppmärksam och var på er vakt!" Dingxi-regeringen skrev på sin mikroblogg.
Invånare i städer nära jordbävningen rapporterade också att de kände skalven.
"Man kunde se ljuskronorna wobble och fönstren vibrera och göra buller, men det finns inga sprickor i väggarna," AP nyhetsbyrå citerade en kontorist på Wuyang Hotel, cirka 40 km (25 miles) från epicentrum, som säger.
"Shop assistenter alla hällde ut på gatorna när skakningar började," expediten sade.
Två kraftiga jordbävningar har drabbat Kinas nordvästra Gansu-provinsen, dödat minst 75 personer och lämnat mer än 400 skadade.