Mer än 20 personer behandlas på sjukhus med brännskador och andra skador efter händelsen i byn Hitrino, säger lokala medier.
Myndigheterna beordrade en evakuering när brandmän slogs mot elden.
Minst 20 byggnader skadades i urspårningen och explosionen, talesman Nikolay Nikolov berättade Bulgariens Nova TV.
Två tankar träffade en elledning och exploderade när tåget spårade ur nära bystationen vid cirka 05:30 lokal tid (03:30 GMT), enligt flera rapporter.
"Två explosioner har orsakat en allvarlig brand och förstört minst 20 byggnader," Inrikesministeriets chefssekreterare Georgi Kostov berättade Reuters nyhetsbyrå.
"Det är många skadade, många med brännskador."
Hitrino, en stad med cirka 800 invånare, ligger i Bulgariens nordöstra Shumenprovinsen, cirka 100 km från Svarta havet.
Bulgariens premiärminister Boiko Borisov sade att han reste till byn.
I ett inlägg på sociala medier sade han att det regionala sjukhuset behövde blodförråd för att klara av kausaliteterna och vädjade till människor i regionen att donera blod.
Transportminister Ivalyo Moskovski sa också att han reste till byn. I ett kort uttalande sade han att han hade beordrat både chefen för arbetsgruppen för utredning av järnvägsolyckor och en företrädare för järnvägsinfrastrukturföretaget att närvara på platsen.
Ett tåg som transporterar flytande petroleumgas har spårat ur och exploderat i Bulgarien och dödat minst fyra personer.