Gruppen genomförde en nio månader lång undersökning av de 53.000 bilder som lämnats till oppositionen av en militär polisfotograf, kallad Caesar.
Forskare intervjuade tidigare fångar, avhoppare, rättsmedicinska experter och familjer till de försvunna.
Syriens regering och dess allierade hade ifrågasatt bildernas äkthet.
De publicerades första gången i januari 2014 i en rapport från tre tidigare krigsförbrytelser åklagare som beställdes av Qatar, som stöder den politiska och väpnade oppositionen i Syrien.
I en intervju tidigare i år sade president Bashar al-Assad: "Du kan ta med dig fotografier från vem som helst och säga att detta är tortyr. Det finns ingen verifikation av någon av dessa bevis, så det är alla anklagelser utan bevis. "
Men på onsdagen lade Human Rights Watch fram i en ny rapport vad den sade var nya bevis om äktheten av Caesar fotografier, identifiera ett antal av offren och belysa några av de viktigaste dödsorsakerna.
Den USA-baserade gruppen sade att den hade lokaliserat och intervjuat 33 släktingar och vänner till 27 offer vars fall forskare verifierade; 37 tidigare fångar som såg människor dö i häkte; och fyra avhoppare som arbetade i syriska statliga interneringscentra eller de militära sjukhus där de flesta av fotografierna togs.
Tortyrrapport från Syrien
På bild: Syrien anklagas för tortyr
Med hjälp av satellitbilder och geolokaliseringsteknik bekräftade HRW att några av de dödas fotografier togs på gården till militärsjukhuset 601 i Mezzeh, en västra förort till huvudstaden Damaskus.
Gruppen identifierade också ett kodsystem för de kort som placerats på kropparna.
"Vi har minutiöst verifierat dussintals historier, och vi är säkra på att Caesar fotografier presenterar autentiska - och fördömande - bevis på brott mot mänskligheten i Syrien," säger Nadim Houry, HRW s vice chef i Mellanöstern.
HRW sade sin rapport fokuserade på 28.707 av 53.275 bilder smugglade ut ur Syrien av Caesar som, baserat på all tillgänglig information, visade kropparna av minst 6.786 personer som dog i frihetsberövande eller efter att ha överförts från frihetsberövande till ett militärsjukhus.
De återstående fotografierna är av angreppsplatser eller av kroppar som identifierats med namn som regeringssoldater, andra stridande eller civila som dödats i attacker, explosioner eller mordförsök.
De flesta av offren fängslades av bara fem underrättelsebyråer i Damaskus, och deras kroppar sändes till minst två militärsjukhus i Damaskus mellan maj 2011, när Caesar började kopiera filer och smuggla ut dem från sin arbetsplats, och augusti 2013, när han flydde Syrien, sade HRW.
Rättsmedicinska patologer från Läkare för mänskliga rättigheter analyserade en del av bilderna, och fann bevis för flera typer av tortyr, svält, kvävning, våldsam trubbigt våld trauma, och i ett fall, en skottskada i huvudet.
Bland de 27 offer som identifierades av HRW - alla vars familjer tillbringade månader eller år med att leta efter nyheter om var de befann sig, i många fall betala enorma summor till kontakter och mellanhänder - var Rehab al-Allawi, en pojke som var 14 år när han greps för att ha en anti-Assad-låt på sin telefon, och elev Rehab al-Allawi, som var 25 år när hon fängslades medan hon arbetade med en aktivistgrupp.
De tidigare fångarna, som hölls på samma platser som de flesta offren, berättade för HRW att vakterna höll dem i svårt överfulla celler med mycket liten luftcirkulation, gav dem så lite mat att de blev svaga och ofta nekade dem möjligheten att tvätta sig. Hudsjukdomar och andra infektionssjukdomar förökade sig, och de fängslade sade att vakterna nekade dem tillräcklig medicinsk vård.
"Många av de tidigare fångar som hölls i dessa mardrömslika förhållanden berättade för oss att de ofta önskade att de skulle dö, snarare än att fortsätta lida," Mr Houry sade.
Det syriska nätverket för mänskliga rättigheter, en aktivistgrupp, har dokumenterat gripandet och fängslandet av mer än 117 000 personer i Syrien sedan upproret mot Assad inleddes i mars 2011.
Human Rights Watch säger att det är säkra bilder smugglade ut ur Syrien av en avhoppare 2013 visar 6.786 personer som dog efter frihetsberövande är autentiska.