De båda männen anklagas för att ha förmedlat kontakter mellan personer som av ekonomiska skäl är villiga att sälja organ och människor som väntar på transplantation.
De greps på ett sjukhus i Jerusalem, där de enligt polisen ska ha planerat att genomföra vävnadsprover.
Enligt polischefen Gilad Bahat ska de ha arrangerat operationer utomlands.
Känslig fråga
Åtminstone tio israeler ska ha gått med på att sälja sina njurar. All handel med mänskliga organ är förbjuden i Israel sedan i fjol. Kriminaliseringen gäller också att betala för donationer.
- Vi talar här om hundratusentals dollar för varje tillfälle, där säljaren får tiotusentals dollar medan resten går till agenterna och till att täcka de medicinska kostnaderna, sade Bahat till AFP.
Polisen tror att de misstänkta har hunnit arrangera tio transplantationer som skulle genomföras i Sydamerika och Kina.
Illegal organhandel blev en ytterst känslig fråga i relationerna mellan Israel och Sverige efter Aftonbladets artikel i augusti, som antydde ett samband mellan sådan handel och palestinier som dödats i de ockuperade områdena.
Några sådana kopplingar finns inte i det här fallet.
Organhandel i USA
Däremot liknar fallet den korruptionshärva som briserade i USA i somras, och som artikeln i Aftonbladet utgick ifrån, där en lång rad tjänstemän, politiker och några rabbiner anklagades för inblandning i försäljningen av fattiga israelers organ för transplantationer i USA.
Sedan flera år pågår också en känslig kontrovers i Israel kring landets rättsläkarcentrum Abu Kabir, där hanteringen av kvarlevorna efter israeliska soldater påstås ha varit vårdslös.
Häromveckan offentliggjordes exempelvis att den israeliska staten, rättsläkarcentrumet och tre av dess läkare, bland dem chefspatologen Yehuda Hiss, tvingas betala mångmiljonbelopp i skadestånd till familjen till en israelisk soldat som begick självmord 2001.
Rättsläkarna hade utan familjens medgivande avlägsnat och sparat vävnad från den döde soldaten.