USA:s ambassadör i Bangladesh fördömde mordet på Xulhaz Mannan, som också arbetade på den amerikanska ambassaden.
En annan person skadades också när angriparna gick in i en Dhaka lägenhet.
Sedan februari förra året har misstänkta militanter dödat flera profana eller ateistiska författare och medlemmar av religiösa minoritetsgrupper.
De två männen mördades två dagar efter att en universitetslärare hackats till döds av misstänkta islamistiska militanter.
Så kallad islamisk stat (IS) hävdade ansvar - men Bangladeshs regering insisterar på att det inte finns någon IS-närvaro i landet.
Lurcha från sekularism till sekteristisk terror?
Vem ligger bakom morden i Bangladesh?
"Jag är förkrossad av det brutala mordet på Xulhaz Mannan och en annan ung Bangladeshi", sade USA: s ambassadör Marcia Bernicat.
"Vi avskyr denna meningslösa våldshandling och uppmanar regeringen i Bangladesh i starkast ordalag att gripa brottslingarna bakom dessa mord", tillade hon.
BBC Bengali Service redaktör Sabir Mustafa sade personal på Roopbaan, en tidning och aktivist grupp för Lesbiska, Gay, Bisexuella och Transgender (LGBT) samhället som inte hade fördömts av regeringen och fått lite stöd från utländska ambassader, hade varit noga med att skydda sina identiteter men hade inte trott att deras liv var i fara.
Misstänkta extremister i Bangladesh får en känsla av säkerhet som de kan utföra mord ostraffat, säger han.
En brittisk fotograf som kände Mannan och det andra offret, känd som "Tonoy" och namngiven i Bangladeshi media som Tanay Mojumadar, sade att de och andra vänner hade satt upp Roopbaan i syfte att sprida tolerans.
Homosexualitet är tekniskt olagligt i Bangladesh och förblir en mycket känslig fråga i samhället.
Båda männen var öppet homosexuella och trodde att om mer gay Bangladeshis kom ut då landet skulle behöva acceptera dem, fotografen, som bad att inte namnges, sade.
De var också bakom den årliga "Rainbow Rally", hölls på Bengali nyår, 14 April, sedan 2014. Årets möte förbjöds av polisen som en del av omfattande säkerhetsåtgärder.
"Båda var extremt mild, icke-våldsam och medveten om att vara öppet gay och aktiv i sitt arbete var en personlig fara," fotografen sade.
Det var troligt att deras mord spred rädsla bland Bangladeshs homosexuella samhälle, sade han.
"Tills för ett år sedan var det enda hotet mot att komma ut skam för familjen och att behöva starta ett nytt liv någon annanstans i Bangladesh. Nu är det en fara, sa han.
Samtidigt Bangladesh mest kända bloggare sade att han hade fått ett dödshot på söndag.
Imran Sarker, som ledde större protester av sekulära aktivister 2013 mot islamistiska ledare, sade att han hade fått ett telefonsamtal varning att han skulle dödas "mycket snart".
Tidigare denna månad, en Bangladeshisk juridik student som hade uttryckt världsliga åsikter på nätet dog när han hackades med machetes och sedan sköts i Dhaka.
Förra året dödades också fyra framstående profana bloggare med machetes.
De fyra bloggarna hade alla dykt upp på en lista över 84 "ateistiska bloggare" som tagits fram av islamiska grupper 2013 och spritts i stor utsträckning.
Det har också förekommit attacker mot medlemmar av religiösa minoriteter, däribland Shia, Sufi och Ahmadi Muslims, Kristna och Hindus.
Två utlänningar - en italiensk biståndsarbetare och en japansk jordbrukare - har också dödats.
Muslim-majoritet Bangladesh är officiellt sekulariserad men kritiker säger att regeringen har misslyckats med att korrekt ta itu med attackerna.
Bangladeshpolisen säger att en av landets enda hbtq-tidskrifts främsta homosexuella rättighetsaktivister är en av två personer som har hackats till döds.