En talesman sade att den nya uppskattningen byggde på en genomgång av underrättelserapporter från maj till augusti.
IS har beslagtagit stora delar av Irak och halshuggit flera gisslan under de senaste månaderna, vilket lett till amerikanska flyganfall.
USA:s utrikesminister John Kerry besöker Turkiet och söker mer stöd för åtgärder mot IS.
Amerikanska tjänstemän säger att pensionerad Gen John Allen kommer att få i uppdrag att bilda en internationell koalition för att bekämpa IS.
På torsdag gick tio arabländer med på att hjälpa USA att attackera gruppen i både Irak och Syrien.
CIA hade tidigare trott att IS hade omkring 10.000 boxare, sade talesman Ryan Trapani.
"Denna nya total återspeglar en ökning av medlemmar på grund av starkare rekrytering sedan juni efter slagfältet framgångar och förklaringen av en kalifat, större slagfält verksamhet, och ytterligare intelligens," tillade han.
Revideringen kommer en dag efter att president Obama skisserade en plan för att "förstöra och förstöra" IS och öka det militära stödet för allierade styrkor som är engagerade i att bekämpa gruppen.
För första gången godkände han flyganfall mot gruppen i Syrien.
Under de senaste månaderna har IS expanderat från sitt fäste i östra Syrien och tagit kontroll över fler städer, armébaser och vapen i Irak.
USA har redan genomfört mer än 150 flyganfall mot IS i Irak. Den har också sänt hundratals militära rådgivare för att bistå irakiska regeringar och kurdiska styrkor, men har uteslutit att sända marktrupper.
Andra länder, däribland Storbritannien, har bidragit med humanitärt bistånd till irakier som fördrivits genom gruppens framsteg.
John Kerry säkrade samarbetet mellan flera arabländer under ett möte i Jeddah i Saudiarabien på torsdag.
Nato-medlemmen Turkiet vägrade dock att underteckna en kommuniké där man uppmanade länder att ansluta sig till USA i kampen mot IS.
Analytiker säger att detta kan bero på att gruppen för närvarande innehar 49 turkiska medborgare, inklusive diplomater.
Krzysztof Kerry bagatelliserade flytten och sade att den viktiga amerikanska allieraden hade att göra med några "känsliga frågor".
Han ska resa till Turkiet på fredag för att försöka få till stånd mer samarbete från regeringen.
CIA säger att den islamiska staten (IS) militanta gruppen kan ha upp till 31.000 soldater i Irak och Syrien - tre gånger så många som tidigare fruktade.