L'assaillant, âgé d'une trentaine d'années et qui ne portait pas de papiers d'identité sur lui, "aurait crié Allah Akbar" en poignardant une femme et en en égorgeant une autre avant d'être abattu par des militaires de l'opération Sentinelle, mise en place après les attentats de janvier 2015.
Il était connu pour des faits de droit commun sous plusieurs identités, selon des sources proches de l'enquête.
La section antiterroriste du Parquet de Paris s'est saisie de l'enquête, ouverte notamment pour "assassinats en relation avec une entreprise terroriste" et "tentative d'assassinat sur personne dépositaire de l'autorité publique".
Dès dimanche soir, Daech a fait savoir via son organe de propagande que l'assaillant "provient des soldats de l'Etat islamique".
Tout l'après-midi, le secteur de la gare Saint-Charles a été bouclé par plus de 200 policiers. Totalement interrompu, le trafic ferroviaire a peu à peu repris en début de soirée.
"J'ai entendu crier Allah Akbar, et j'ai vu un homme vêtu tout en noir, il me semble", a raconté à l'AFP Mélanie Petit, une étudiante de 18 ans. "Une personne s'est effondrée", et "il y a eu un temps de latence avant que les gens se mettent à courir".
"Une dizaine de témoins" ont été entendus dès dimanche par les enquêteurs.
La gare se situe tout près du centre-ville, non loin de la fameuse Canebière, artère mythique de la ville menant au Vieux Port.
Le président français Emmanuel Macron s'est dit sur Twitter "profondément indigné par cet acte barbare". "Nous ne baissons pas la garde", a de son côté assuré sur Twitter le Premier ministre Edouard Philippe, faisant part de sa "colère et tristesse pour les victimes".
A l'intérieur de la gare, "des gens, pas en treillis, peut-être des policiers en civil, nous criaient de partir. Beaucoup dans la foule restaient sur place", a raconté à l'AFP Jeanne, 33 ans.
Les forces de l'ordre "se sont mises en place et ont fait descendre les gens des trains. On a été regroupé au bout des quais avant d'être évacué", a relaté Guillaume, un autre jeune homme. Il a évoqué "une panique maîtrisée". "Les gens ne se marchaient pas dessus".
Ce nouvel attentat intervient deux jours avant le vote à l'Assemblée nationale d'un projet de loi antiterroriste controversé qui vise à transposer dans le droit commun certaines mesures de l'état d'urgence instauré par l'ancien gouvernement socialiste après les attentats du 13 novembre 2015 à Paris (130 morts).
Lundi doit s'ouvrir par ailleurs le procès pour complicité du frère de Mohamed Merah, qui avait tué au nom du jihad en mars 2012 sept personnes dont trois enfants d'une école juive à Toulouse (sud-ouest) et dans ses environs.
Depuis, la France a été frappée à de multiples reprises, notamment en janvier 2015 (17 morts), notamment contre le journal satirique Charlie Hebdo et une épicerie juive.
Hormis les deux victimes de dimanche, 239 personnes ont péri dans des attentats survenus en France depuis 2015.
