Pojken fördes från ett hem i Velville Court i Newcastle till sjukhus med allvarliga skador, på fredag.
En 34-årig man och en kvinna, 30 år, sitter för närvarande i polisens förvar och kommer att bli förhörda.
Northumbria polisen sa att barnet dog på måndag och officerare behandlar de skador han hade lidit var "icke-oavsiktliga".
Det Ch Insp Mark Ord sade: " Vi behandlar dödsfallet som en mordutredning.
"Vi vet att detta kommer att chockera och bedröva lokalsamhället och jag vill försäkra dem att vi gör allt vi kan för att fastställa exakt vad som hände och hur barnet kom att drabbas av sådana dödliga skador.
"Detta är en mycket tragisk händelse och våra tankar är med alla som påverkas av denna sorgliga död."
Två personer har gripits misstänkt för mord efter att ett 13-veckor gammalt barn dött.