Den 16 mars attackerade amerikanska flygplan Omar Ibn al-Khatab-moskén nära byn al-Jinah i Aleppo-provinsen i norra Syrien.
Attacken totalförstörde ena delen av moskén och dödade minst 38 personer. Enligt HRW har USA "underlåtit att vidta nödvändiga försiktighetsåtgärder för att undvika civila offer".
– USA verkar ha gjort många fundamentala fel i denna attack och dussintals civila har fått betala priset, säger Ole Solvang, biträdande krischef på Human Rights Watch i ett uttalande.
– De amerikanska myndigheterna måste ta reda på vad som gick fel och göra sin hemläxa innan de utför attacker, så detta inte händer igen, fortsätter han.
USA har hävdat att attacken var riktad mot ett al-Qaida-möte och inte en moské.
Amerikanska myndigheter har senare sagt att de kommer undersöka både om civila dödades i attacken och om byggnaden tillhörde en moské.
"Den amerikanska regeringen bör offentliggöra detaljerade resultat av sin undersökning och ge nödvändig kompensation till civila offer och deras familjer, samt ställa de ansvariga för attacken till svars", skriver HRW.
Human Rights Watch baserar sin rapport på intervjuer, fotografier och videomaterial från platsen.
