Le tableau n'a pas été endommagé.
Des images diffusées sur les réseaux sociaux par le mouvement Extinction Rebellion montraient les militants vêtus de noir, la main posée sur l'oeuvre présentée dans une salle de la National Gallery of Victoria de Melbourne.
Un homme portant un t-shirt avec le symbole d'Extinction Rebellion - un sablier entouré d'un cercle - se trouvait auprès d'eux.
A leurs pieds, une banderole noire avait été dépliée, avec pour slogan "Chaos climatique = Guerre + Famine".
"Il semblerait que les trois protestataires ont pénétré par le rez-de-chaussée (du musée) avant qu'un homme et une femme ne se collent à la protection de la peinture de Picasso", a déclaré une porte-parole de la police de l'Etat de Victoria.
Les manifestants - une femme de 49 ans originaire de Nouvelle-Galles du Sud et un homme de 59 ans de Melbourne - ont été "dégagés du tableau" plus d'une heure après le début présumé de leur action, a fait savoir la police.
Les deux personnes, ainsi qu'un homme de 49 ans de Melbourne, "ont été arrêtés et aident la police dans son enquête", a-t-elle ajouté.
Le musée a déclaré avoir appelé la police et fermé l'exposition au public durant l'incident.
"Les mains des manifestants ont été retirées du plexiglas en toute sécurité et sans que l'oeuvre ne soit endommagée", a rapporté un porte-parole de la National Gallery of Victoria.
L'oeuvre de Pablo Picasso, réalisée en 1951, "montre les horreurs de la guerre", a commenté Extinction Rebellion Victoria sur sa page Facebook.
"La détérioration du climat va entraîner une augmentation des conflits dans le monde. Il est maintenant temps pour chacun et pour toutes les institutions de se dresser pour agir !", a plaidé l'organisation.
Le tableau, conservé au musée Picasso à Paris, était exposé à Melbourne pour le dernier jour de l'exposition "Le siècle de Picasso".