Rodolfo Illanes och hans livvakt greps tidigare på torsdagen vid en vägspärr i Panduro, söder om La Paz, sade tjänsteman.
Inrikesminister Carlos Romero sa att "alla indikationer" var att Illanes hade mördats i en "konsekvent och brutal" attack.
Två gruvarbetare dog också av skottskador under sammandrabbningar med polisen.
Illanes blev slagen till döds omkring klockan 18:00 lokal tid (00:00 GMT), sade La Razons tidning försvarsminister Reymi Ferreira som sagt.
Myndigheterna kunde inte för tillfället hämta hans kropp, sade ministern. Mer än 100 gripanden hade gjorts, sade han.
Ordförande Evo Morales hade blivit "väldigt påverkad" av Illanes död, tillade Ferreira.
Medan han hölls fången sade Illanes till den bolivianska radion att ett villkor för hans frigivning var att regeringen förhandlade med gruvarbetare om ny lagstiftning.
Gruvarbetarna har blockerat en motorväg i Panduro sedan tisdag.
National Federation of Mining Co-operatives of Bolivia, en gång starka allierade till president Morales, började vad de sade skulle vara en obestämd protest efter att förhandlingarna misslyckades.
Protester har krävt fler gruvkoncessioner, rätt att arbeta för privata företag och större facklig representation.
Bolivias regering säger att dess biträdande inrikesminister har kidnappats och dödats av strejkande gruvarbetare.