En maskerad revolverman öppnade eld på La Terrasse bar och dödade en fransk medborgare, sa vittnen.
En belgisk säkerhetstjänsteman som arbetar för EU och tre Malianer dog också i attacken.
Ett vittne sade att en angripare skrek "Gud är stor" på arabiska ("Allahu Akbar"). Det är den första attacken av sitt slag i huvudstaden.
Det är inte klart vem som genomförde attacken, men al-Qaida-kopplade islamistiska militanter har kämpat mot armén i norra Mali i ett antal år.
Frankrike, den tidigare kolonialmakten i Mali, ingrep för två år sedan för att stoppa deras framfart söderut på Bamako.
Frankrikes president Francois Hollande fördömde attacken som "billig".
Han talade per telefon med Malis motsvarighet Ibrahim Boubacar Keita och de "beslutade om gemensamma åtgärder för att stärka säkerheten i Mali", sade det franska ordförandeskapet.
Den belgiske utrikesministern Didier Reynders kallade attacken en "samtidig terrorhandling".
La Terasse är populär bland expater för sina salsakvällar. Man ser ofta människor där från FN:s och EU:s uppdrag som utbildar den maliska armén.
När jag kom dit ungefär en timme efter attacken, fanns det en vit liksäck på golvet. Ett dussin maliska poliser var på platsen, inklusive en inspektör som använde bord och pallar för att stänga av baren. Ett vittne sade att angriparna hade rusat iväg i ett fordon och på en motorcykel och att man hade ropat "Allahu Akbar".
Om det bekräftas som islamistiska fundamentalisters verk, skulle detta vara den första sådana attacken i Bamako. Men lokalbefolkningen har länge fruktat att det skulle hända.
Många tror att FN och de franska och maliska militarierna har varit nöjda med att tro att faran är begränsad till Malis norra del. Det finns mycket lite säkerhet i Bamako förutom runt utländska ambassader och FN-uppdraget.
Europeiska rådets ordförande Donald Tusk sade att EU "inte skulle skrämmas av terrorism, varken hemma eller utomlands".
Anfallet inträffade strax efter midnatt. Vittnen och ämbetsmän sade att angriparna hade dödat de belgiska och maliska offren i närheten av baren.
Vår reporter säger att franska soldater anlände snabbt efteråt på första våningen nattklubb på lördag.
De bekräftade att en man som dödades i baren i Hippodromen i huvudstaden, som var populär bland utvandrare, var fransk medborgare. Den franska utrikesministern döpte honom senare till 30-årige Fabien Guyomard, som franska medier sade var i Mali arbetar för ett privat företag.
Ett av de maliska offren tros ha varit en polis, och ett annat säkerhetsvakt, säger vår korrespondent.
Militans i Mali:
Ett vittne berättade för BBC att han hade sett fyra män fly från platsen i ett fordon och en på en motorcykel.
FN:s tjänstemän sade att en tidig rapport om att en tredje europé hade dödats var felaktig.
Nio personer skadades i attacken, sade ämbetsmän. Enligt uppgift omfattar de tre schweiziska medborgare, varav två var soldater som arbetade vid FN:s uppdrag, enligt det schweiziska försvarsministeriet.
Det har också dykt upp två personer som kvarhållits av polisen efter morden på lördagen var inte inblandade.
Frankrike har trupper baserade i Sahelregionen i norra Afrika i ett försök att stoppa uppkomsten av jihadistiska grupper.
Detta följer deras ingripande i Mali i januari 2013, efter att olika islamistiska militanta grupper lyckats ta över större delen av norra Mali 2012.
De militanta relegerades så småningom från städer över hela norr, men både nomadiska Tuareg-rebeller och andra islamistiska militanta grupper har förblivit aktiva i den vidsträckta ökenregionen.
Fredssamtalen med Tuareg-rebeller slutade oavslutat i Alger förra veckan.
Norra Mali har varit en konfliktpunkt sedan Malis oberoende från franskt styre 1960, med Tuareg rebeller som kämpar för självständighet eller mer självständighet.
Konflikten har blivit mer komplex med uppkomsten av jihadigrupper, som strövar fritt över delar av Saharaöknen.
Fem personer har dödats i en maskingevärs- och granatattack på en bar i Malis huvudstad, Bamako.