Grégory Villemin var fyra år när hans kropp hittades i floden Vologne. Hans mördare har aldrig hittats.
Alla tre poliserna beskrevs som släktingar till pojkens far.
Mordet har fortsatt att hemsöka Frankrike sedan dess, men framsteg inom DNA-teknik har hjälpt polisen att sprida ytterligare ljus över fallet.
Det var den 16 oktober 1984 som Grégory Villemins kropp hittades och en domare öppnade vad som blev ett av de största mysterierna i fransk kriminalhistoria.
Timmar innan pojken upptäcktes, hans händer och fötter bundna, hans farbror sade att han hade fått ett telefonsamtal från någon som påstod sig ha kidnappat honom. Följande dag fick barnets föräldrar ett brev där det stod: "Din son är död, jag har blivit hämnad."
Nästa månad greps en kusin till pojkens far, Bernard Laroche, när hans svägerska Muriel Bolle vittnade mot honom. Han släpptes 1985 när hon drog tillbaka sitt uttalande, men sköts ihjäl av Jean-Marie Villemin, pojkens far, veckor senare.
Pappan åkte i fängelse för Laroches mord i flera år. Pojkens mor, Christine Villemin, fängslades också för mordet på sin son men blev senare frikänd. Båda fick senare ersättning av staten för missfall av rättvisa.
De anonyma telefonsamtalen och gift-penna brev fortsatte under åren, och fallet öppnades först 2000 och sedan igen 2008 i ett försök att identifiera DNA på bokstäverna. Tre separata DNA-spår hittades men identifierades inte.
Lite nyheter har hörts i "Grégory-affären" sedan polisen sa 2013 att DNA-tester hade fört utredningen vidare.
Det var fram till omkring 08:00 (06:00 GMT) på onsdag, då utredare från Dijon kvarhöll ett par på 70-talet i byn Aumontzey, i Vologne floddal. Källorna berättade för franska media att de var faderns farbror och faster.
Enligt L'Est Républicain placerades de i polisens förvar misstänkt för delaktighet i mordet, underlät att anmäla ett brott eller hjälpa en person i riskzonen.
En tredje person som rapporterades vara faderns halvsyster hölls också fången. En fjärde, som sades vara offrets mormor, togs in som vittne. Hennes man blev också förhörd.
Åklagare Jean-Jacques Bosc sade utredare hade riktat "människor mycket nära hjärtat av detta fall" och hoppades kunna ge svar på de frågor de hade.
Lokala reportrar som behandlade fallet påpekade att ingen av dem som hölls kvar på onsdag var misstänkt för pojkens mord.
De sade också att Muriel Bolle, som som tonåring till en början hade skyllt mordet på Bernard Laroche, hade blivit ombedd att lämna ett DNA-prov på onsdagen innan han senare släpptes.
Ett par i 70-årsåldern och en kvinna har häktats för förhör av polisen, 32 år efter ett brott som skrämde Frankrike.