Fartyget, som anses vara bara 20 meter långt (70 meter), kapsejsat vid midnatt lokal tid i libyska vatten söder om den italienska ön Lampedusa.
Hittills har bara 28 personer räddats och 24 kroppar återfunnits.
Italiens statsminister sade att det var en europeisk tragedi och efterlyste ett extra EU-toppmöte om migrationsfrågan.
Matteo Renzi sade att han inte kunde verifiera antalet dödsfall, men att det skulle vara en "dramatisk mängd".
Live: Följ den senaste utvecklingen
FN:s flyktingbyrå, UNHCR, sade att den senaste förlisningen kan innebära den största förlusten av liv under en migrantresa till Europa. I år har minst 900 invandrare dött över Medelhavet.
Italienska sjö- och kustbevakningsfartyg, maltesiska flottan och lastfartyg tillsammans med tre helikoptrar deltar i räddningsinsatsen, 210 kilometer utanför Lampedusas kust och 17 kilometer från Libyens kust.
Den italienska kustbevakningens talesman berättade för BBC operationen var fortfarande fokuserad på sökning och räddning, "men med tiden kommer det att vara en sökning [för organ] endast".
Detta anslag är avsett att täcka utgifter för tjänstemän och tillfälligt anställda som arbetar inom politikområdet Hälsa och konsumentskydd, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård samt hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård samt hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård samt konsumentfrågor, hälso- och sjukvård samt konsumentfrågor, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård samt konsumentfrågor, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård samt konsumentfrågor, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård samt konsumentfrågor, hälso- och sjukvård, hälso- och sjukvård
Invandrare räddade 10-17 april
Andra produkter enligt nr 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900, 900,
Migranter dog när de försökte korsa gränsen mellan den 1 januari och den 15 april
31.500 Migranter har anlänt från Nordafrika hittills i år
218.000 Beräknat att ha korsat Medelhavet 2014
3.500 Migranter dog när de försökte korsa gränsen förra året.
Det uppges att migranterna föll överbord när de rusade för att dra uppmärksamheten till det förbipasserande portugisiska handelsfartyget kung Jakob, vilket fick deras fartyg att kapsejsa.
Den italienska kustbevakningen säger att de 28 överlevande och 24 kropparna nu är på sitt fartyg Gregoretti.
På plats: Richard Bilton, BBC News, Lampedusa
Lampedusa försöker reagera på den senaste skräcken i haven utanför kusten. Mycket av hamnen har tömts. Kustbevaknings-, tull- och fiskebåtar lämnade alla före gryningen för att hjälpa till med räddningen.
Marta Bernardini arbetar för välgörenheten Mediterranean Hope, som bygger på ön och arbetar med invandrare. Hon sade till BBC: "Vi är mycket ledsna. Det är så svårt för oss som bor och arbetar i Lampedusa varje dag, att veta att många människor dör på detta sätt, i Medelhavet."
Lampedusa är den sydligaste punkten i Italien - närmare Afrika än det italienska fastlandet. Lokalbefolkningen säger att sedan januari - när EU tog kontroll över patrulleringen av EU:s sjögränser - har mellan 9 000 och 10 000 migranter anlänt till ön.
Maltesisk statsminister Joseph Muscat sade räddare var "bokstavligen försöker hitta människor levande bland de döda flytande i vattnet".
Muscat sade till BBC: " Det som händer nu är av episka proportioner. Om Europa, om det globala samfundet fortsätter att blunda... kommer vi alla att dömas på samma sätt som historien har dömt Europa när den blundade för folkmordet i detta århundrade och förra århundradet."
Vid EU-toppmötet sade Renzi: "Det är otänkbart att det mot bakgrund av en sådan tragedi inte finns en känsla av solidaritet som Europa har visat i andra fall."
Han tillade: "Vi ber att inte lämnas ensamma, inte så mycket när det gäller nödsituationer till sjöss, utan att stoppa människohandeln."
Han sade att människohandeln var "en farsot på vår kontinent - 2000-talets slaveri".
Med hänvisning till att 91 procent av de migranter som kom till Italien hade lämnat Libyen sade Renzi att fler räddningsfartyg inte var svaret - "båtarna måste stoppas från att avgå".
EU har kritiserats för att ha avslutat sin sjöräddningsverksamhet, Mare Nostrum, förra året.
Vissa EU-medlemmar sade att de inte hade råd med det och uttryckte oro över att det uppmuntrade fler invandrare.
EU genomför nu en mer begränsad gränskontrollinsats kallad Triton.
Påven Francis uttryckte sin "djupaste sorg" över förlisningen.
"Det är män och kvinnor som vi som söker ett bättre liv. Hungriga, förföljda, skadade, utnyttjade, offer för krig. De letade efter lycka, sa han.
EU:s utrikespolitiska chef Federica Mogherini sade att den senaste vågen av invandrarbåtskatastrofer var "oacceptabel".
"Vi har sagt för många gånger 'aldrig mer'. Nu är det dags för Europeiska unionen som sådan att ta itu med dessa tragedier utan dröjsmål, sade hon.
EU:s utrikesministrar kommer att träffas för att diskutera invandrarfrågan på måndag.
UNHCR sade att invandrarbåtar hade transporterat 13 500 personer till italienska vatten enbart förra veckan.
Och förra året gjorde rekordhöga 170.000 människor som flydde från fattigdom och konflikter i Afrika och Mellanöstern den farliga övergången till Italien. Tusentals dog under resan.
Oct 2013: Mer än 360 personer, mestadels eritreaner och somalier, dör när deras båt sjunker utanför Lampedusa.
Sept 2014: Minst 300 migranter drunknar av Malta när folk smugglar rammar en båt efter att dess invånare vägrar att flytta till en mindre. De överlevande sa att det var massmord.
Februari 2015: Minst 300 migranter fruktade drunknade när fyra dinghies hamnar i trubbel efter att ha lämnat Libyens kust i dåligt väder.
12 april 2015: Omkring 400 migranter fruktade för att drunkna efter att deras fartyg kapsejsar Libyen.
19 april 2015: Omkring 650 migranter fruktade att drunkna när båten kapsejsar i libyska vatten söder om Lampedusa.
Hundratals människor är rädda för att ha drunknat efter en båt som transporterar upp till 700 migranter kapsejsade i Medelhavet, säger den italienska kustbevakningen.