Det var klockan 03:58 på söndagen som vittnet slog larm efter att ha passerat förskolan, som ligger i Tierp.
Innan räddningstjänsten hann fram hade vittnet lyckats släcka den mindre branden med vatten. Ingen var på plats inne i förskolan.
Polisen har upprättat en anmälan om misstänkt mordbrand och kommer att utreda händelsen vidare.
– De tre personerna har setts lämna platsen men har inte anträffats, säger Marie Larsson, befäl på polisens regionledningsscentral.