President Bah Ndaw, premiärminister Moctar Ouane och försvarsminister Souleymane Doucoure har förts till en militärbas i Kati, strax norr om huvudstaden Bamako.
Förre presidenten avsattes
De greps av militären efter en ommöblering av övergångsregeringen, enligt diplomat- och regeringskällor.
I en militärkupp i augusti avsattes president Ibrahim Boubacar Keita. Han fördes då till samma militärbas som de nu frihetsberövade ledarna ska ha förts.
Bah Ndaw och Moctar Ouane hade uppgiften att övervaka en 18 månader lång övergångsperiod tillbaka till civilt styre.
Ödestimme för Mali
Situationen beskrivs som en ödestimme för Mali, som har ett val inplanerat i februari nästa år.
– De kommande veckorna blir avgörande. Det vore djupt oroväckande om militären förankrar sig vid makten och inte håller sitt löfte om att verka för en övergång till civilt styre, säger Jesper Bjarnesen som är Västafrikaexpert vid Nordiska Afrikainstitutet.
Samtidigt finns det en chans att demokratiseringsprocessen i Mali stärks i den rådande turbulensen.
– Övergångsregeringen har haft stora svårigheter. Det har inte fungerat. Man får hoppas att de tar chansen nu och rycker upp sig. Så det är fortfarande en öppen fråga hur det här kommer att påverka valet, säger Jesper Bjarnesen.
Fördömer agerandet
FN, EU, Storbritannien, USA, Afrikanska unionen och de västafrikanska ländernas samarbetsorgan Ecowas fördömer i ett gemensamt uttalande militärens agerande och kräver nu att ledarna släpps.
– Vi är redo att vidta nödvändiga åtgärder, säger Charles Michel, EU:s rådsordförande, på presskonferensen efter måndagens EU-toppmöte.
Under tisdagen ska Ecowas skicka en delegation till Mali för att avstyra det som organisationen kallar ett kuppförsök.
Svensk militär inte påverkad
De svenska styrkorna på plats har inte påverkats av händelsen.
– De påverkas inte för stunden, men vi följer händelseutvecklingen, säger Linus Ehn, vakthavande kommunikatör vid Försvarsmakten.