De to brødrene skal ha planlagt et angrep på et av Tysklands største kjøpesentre, CentrO i Oberhausen i Ruhr-området.
Brødrene er 28 og 31 år og kommer opprinnelig fra Kosovo, opplyser tyske myndigheter.
De ble arrestert etter at politiet fikk opplysninger fra tysk etterretning.
Politiet etterforsker nå om flere er involvert i planene om et angrep og hvor langt planleggingen var kommet.
Politi plassert ut
Etter arrestasjonen ble politi utstasjonert både ved kjøpesenteret og ved et julemarked i nærheten.
Kjøpesenteret CentrO har rundt 250 butikker og er vanligvis stappfullt av kunder i dagene før jul.
Nyheten kommer mens politiet jakter på den tunisiske mannen som er mistenkt for å stå bak angrepet mot et julemarked i Berlin mandag hvor 12 mennesker ble drept.
Det er ingen indikasjoner på at det er noen sammenheng mellom arrestasjonene i Duisburg og angrepet i Berlin, skriver BBC.
- Les også:
