L'homme de 34 ans est soupçonné d'avoir mis le feu à la porte d'entrée de ce bâtiment religieux très fréquenté de Melbourne vendredi soir, lors du Shabbat, jour de repos dans la tradition juive.
"Les inspecteurs vont continuer à étudier les intentions et l'idéologie de la personne inculpée pour déterminer si cet incident est en fait terroriste", a indiqué la police dans un communiqué.
L'homme a été inculpé notamment pour mise en danger de la vie d'autrui.
Dans un communiqué, le Premier ministre australien, Anthony Albanese, a condamné une attaque "lâche" qui aurait pu avoir des "conséquences catastrophiques", la vingtaine de fidèles ayant pu s'échapper de la synagogue par l'arrière sans être blessés.
Par ailleurs, la police examine deux autres incidents qui ont visé la communauté juive de Melbourne dans la nuit de vendredi: une vingtaine de personnes ont pris d'assaut un restaurant israélien et des voitures ont été recouvertes de tags antisémites. Sans qu'un lien ne soit fait à ce stade.
Selon les médias locaux, le groupe d'individus a interrompu le service du soir dans l'établissement, renversé des tables et brisé une fenêtre.
Le Premier ministre israélien Benjamin Netanyahu a condamné une "attaque violente" commise par des "émeutiers propalestiniens".
"Nous exigeons du gouvernement australien qu'il prenne toutes les mesures nécessaires pour traiter les émeutiers avec toute la rigueur de la loi et empêche que de telles attaques ne se reproduisent à l'avenir", a-t-il déclaré.
Les quartiers juifs de Melbourne et Sydney ont vu ces derniers mois plusieurs actes de vandalisme et attaques similaires. En décembre, une autre synagogue de Melbourne avait été incendiée, amenant le gouvernement à créer une cellule spéciale pour lutter contre l'antisémitisme.